JP6713987B2 - Shape detection for orthopedic navigation - Google Patents

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Description

本開示はコンピュータ支援手術において使用されるシステム及び方法に係り、より具体的には、整形外科的処置にあたって解剖学的位置及び手術具を追跡するための形状検知の使用に関する。 The present disclosure relates to systems and methods used in computer-assisted surgery, and more particularly to the use of shape sensing to track anatomical position and surgical tools during orthopedic procedures.
コンピュータ支援手術(CAS:computer assisted surgery)システムは、術前計画及び術中外科的ナビゲーション(surgical navigation)のために用いられる。この文脈コンテキストにおいて、術前計画とは、例えば切断、切開、ターゲティングのような外科的ステップのコンピュータ支援決定のことである。計画は、処置の前又は処置の間に行うことができる。術中計画は多くの場合、いずれかの医療撮像モダリティ(imaging modality)(コンピュータ断層撮影法(CT:computed tomography)、磁気共鳴画像法(MRI:magnetic resonance imaging)、超音波、X線、内視鏡検査等)、又は解剖学的モデル(例えば膝モデル)を用いた患者の2D又は3D画像を使用する。CASの文脈コンテキストにおいて、外科的ナビゲーションとは、外科医が術前計画を正確に実行することを可能とする、器具及び患者の解剖学的組織のライブ追跡のことである。外科的ナビゲーションは追跡技術を用いて実施される。 Computer assisted surgery (CAS) systems are used for preoperative planning and intraoperative surgical navigation. In this context context, pre-operative planning is a computer-aided decision of a surgical step such as cutting, incision, targeting. Planning can occur before or during treatment. Intraoperative planning often involves any of the imaging modalities (computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound, X-ray, endoscopy). 2D or 3D image of the patient using an anatomical model (eg, knee model). In the context of CAS Surgical navigation is the live tracking of instruments and patient anatomy that allows the surgeon to accurately perform pre-operative planning. Surgical navigation is performed using tracking techniques.
追跡技術の一例は、視線光学追跡(line−of−sight optical tracking)である。視線光学追跡技術は、可視範囲又は赤外線範囲のどちらかで動作する光学カメラを使用する。このカメラは、その視野内でマーカを検出し、それらの相対位置に基づいてマーカ配置の位置及び向きを推測するように構成されている。一般に、既知の構成に配置された2台以上のカメラを用いて、立体視及び奥行きの知覚を可能とする。この追跡技術は、カメラ(複数のカメラ)とマーカとの間に途切れない視線を必要とする。人工膝関節置換術(total knee replacemenet)は、大腿骨及び脛骨の部分を除去し、埋め込み型の人工部品で置換する必要がある。人工膝関節置換術でCASを使用して、術前計画モジュールを用いて適切な切断面を計画すると共に、処置中に骨と器具とを追跡することで計画の実行を可能とする。骨は、多くの場合、埋め込まれる人工部品を受容して整合させるため正しい位置及び角度となるように切断面をガイドする切断ブロックを用いて切除される。CASは、関節を最適な生体力学に戻すため、切断ブロック及びその後のインプラントの位置及び向きの双方の改善を目指している。 One example of tracking technology is line-of-sight optical tracking. Eye gaze tracking technology uses optical cameras that operate in either the visible or infrared range. The camera is configured to detect markers within its field of view and infer the position and orientation of the marker placement based on their relative positions. Generally, two or more cameras arranged in a known configuration are used to enable stereoscopic viewing and depth perception. This tracking technique requires a continuous line of sight between the camera(s) and the marker. Total knee replacements require the femur and tibia parts to be removed and replaced with implantable artificial parts. CAS is used in a total knee arthroplasty to plan the proper cutting plane using a pre-operative planning module and to perform the plan by tracking the bone and instrument during the procedure. Bone is often excised with a cutting block that guides the cutting surface into the correct position and angle for receiving and aligning the implanted artificial component. CAS seeks to improve both the position and orientation of the cutting block and subsequent implants to bring the joint back to optimal biomechanics.
人工膝関節置換術のための視線光学追跡CASシステムは、患者に取り付けられて解剖学的追跡を行う視線光学追跡取り付け具セットを含む。視線光学追跡取り付け具は、1つ以上のねじによって骨に強固に取り付けられ、骨からある距離だけ延出する。人工膝関節置換術では、これらの追跡機器が大腿骨及び脛骨の双方に取り付けられてライブの解剖学的追跡を行う。 A line-of-sight optical tracking CAS system for total knee arthroplasty includes a set of line-of-sight optical tracking fixtures attached to a patient for anatomical tracking. The line-of-sight optical tracking fixture is rigidly attached to the bone by one or more screws and extends a distance from the bone. In total knee arthroplasty, these tracking devices are attached to both the femur and tibia for live anatomical tracking.
既存の光学CASシステムには多くの欠点がある。視線光学CASシステムは、検出カメラと追跡取り付け具との間に遮られない経路を必要とする。カメラから見ることができない追跡取り付け具があると、有効な測定値を与えることができない。処置のあらゆる部分で遮られない経路を維持することは難しい場合があり、例えば動的な生体力学を試験するため骨を操作する場合は特に難しい。これらのCASシステムは、視線を必要とするだけでなく、規定のボリューム内でしか高精度ではない。このボリュームはカメラ位置を基準とし、処置全体を通して維持することは難しい場合があり、関節の操作中は特に難しい。要求される精度を達成するため、視線CASシステムは典型的に、最大寸法で20cmまでの長さを有し得る光学的追跡取り付け具内に配置された反射性ボールを使用する。そのような大型取り付け具は、臨床医が利用できる物理的な作業空間を制限し、術中に衝突の危険がある。光学的追跡取り付け具のサイズ及び重量のため、強固かつ高精度に骨に取り付けるには大きいねじピンが必要である。場合によっては、単一の追跡取り付け具に2つのねじピンが必要とされる。これらのねじピンは、応力による破損(特に2つのピンを近接して用いる場合)、感染、神経損傷、ピンのゆるみ(ピンの追加又は測定値の不正確さを招く)等の悪影響を引き起こす恐れがある。 Existing optical CAS systems have many drawbacks. The line-of-sight optical CAS system requires an unobstructed path between the detection camera and the tracking fixture. Having a tracking fixture that is not visible to the camera will not give a valid measurement. Maintaining an unobstructed pathway during any part of the procedure can be difficult, especially when manipulating bone to test dynamic biomechanics, for example. Not only do these CAS systems require line-of-sight, but they are only accurate within a defined volume. This volume is referenced to the camera position and can be difficult to maintain throughout the procedure, especially during joint manipulation. To achieve the required accuracy, line-of-sight CAS systems typically use reflective balls located within an optical tracking fixture that can have lengths up to 20 cm in maximum dimension. Such large fittings limit the physical working space available to the clinician and present the risk of intraoperative collisions. Due to the size and weight of the optical tracking mount, a large screw pin is required for strong and accurate bone attachment. In some cases, two screw pins are needed for a single tracking fixture. These screw pins can cause adverse effects such as stress damage (especially when two pins are used in close proximity), infection, nerve damage, pin loosening (additional pins or inaccurate measurements). There is.
また、電磁(EM:electromagnetic)ナビゲーションシステムにも多くの欠点がある。視線追跡と同様、EMシステムの要件を満たしながら最適な臨床ワークフローを維持することは難しい場合がある。EMシステムは、磁界発生器の位置に対してに関連して規定されたボリューム内でしか高精度の測定値を与えない。更に、EM磁界内の金属が干渉を生成し、測定精度を低下させる可能性がある。 Also, electromagnetic (EM) navigation systems have many drawbacks. As with eye tracking, maintaining an optimal clinical workflow while meeting the requirements of an EM system can be difficult. The EM system provides accurate measurements only within a volume defined in relation to the position of the magnetic field generator. In addition, the metal in the EM magnetic field can create interference and reduce measurement accuracy.
本発明の原理によれば、光学的形状検知システム(OSS)は、骨に対して解剖学的な位置で結合されたアタッチメントデバイスを含む。光学的形状検知ファイバがこのアタッチメントデバイスに結合されるとともに、アタッチメントデバイスの位置及び配向を識別するように構成されている。光学的形状検知モジュールは、光学的形状検知ファイバからのフィードバックを受信して、アタッチメントデバイスの位置及び配向を解剖学的マップに対して位置合わせするように構成されている。 In accordance with the principles of the present invention, an optical shape sensing system (OSS) includes an attachment device coupled at an anatomical location with respect to bone. An optical shape sensing fiber is coupled to the attachment device and is configured to identify the position and orientation of the attachment device. The optical shape sensing module is configured to receive feedback from the optical shape sensing fiber to align the position and orientation of the attachment device with respect to the anatomical map.
形状検知システムは、1つ以上の光学的形状検知ファイバからのフィードバックを受信するように構成された光学的形状検知モジュールを含む。1つ以上のアタッチメントデバイスが1つ以上の骨に対して解剖学的な位置で接続されており、各アタッチメントデバイスは光学的形状検知ファイバに接続され、光学的形状検知ファイバはモデル座標系内で解剖学的な位置を位置的及び配向的に追跡するために使用される。モデル座標系には解剖学的画像が含まれており、光学的形状検知ファイバによって追跡された変化は、ディスプレイ上で閲覧される解剖学的画像を更新するために使用される。 The shape sensing system includes an optical shape sensing module configured to receive feedback from one or more optical shape sensing fibers. One or more attachment devices are connected in an anatomical position to one or more bones, each attachment device is connected to an optical shape sensing fiber, and the optical shape sensing fiber is in the model coordinate system. It is used to positionally and orientationally track anatomical positions. The model coordinate system contains an anatomical image, and the changes tracked by the optical shape sensing fibers are used to update the anatomical image viewed on the display.
本発明による形状検知システムは、整形外科において及び一般的に位置合わせを加速するために用いられ得る光学的形状検知ファイバをさらに含んでいてもよい。この光学的形状検知ファイバは、骨若しくは別の物体上の点又は骨若しくは別の物体の形状の標本抽出の便利な手法を提供して位置合わせランドマークを1点1点取得するのを回避するために、位置合わせデバイスに組み込まれ得る。高速位置合わせは、(1)骨若しくは他の物体上の離散ランドマーク、又は(2)光学的形状検知ファイバによって測定された骨若しくは他の物体の一部(又は全部)の実際の形状との完全に合致する形状を用いて実現することができる。各高速位置合わせ方法について、位置合わせデバイスの例示的な対応するハードウェアコンポーネントが本明細書に記載されている。特に、離散ランドマークの迅速な取得のためには、位置合わせグローブ及びリングなどの装着型形状検知デバイスが用いられ得る。(部分的な)骨又は他の物体の形状をキャプチャするためには、超弾性パッチ又は形状記憶チューブを含むデバイスもまた有利に用いられ得る。 The shape sensing system according to the present invention may further include an optical shape sensing fiber that may be used in orthopedics and generally to accelerate alignment. The optical shape sensing fiber provides a convenient way of sampling points on the bone or another object or the shape of the bone or another object to avoid acquiring registration landmarks point by point. For this, it can be incorporated into the alignment device. Fast alignment can be done with (1) discrete landmarks on the bone or other object, or (2) with the actual shape of some (or all) of the bone or other object as measured by the optical shape sensing fiber. It can be achieved with a perfectly matched shape. For each fast alignment method, exemplary corresponding hardware components of the alignment device are described herein. In particular, wearable shape sensing devices such as alignment gloves and rings may be used for rapid acquisition of discrete landmarks. Devices that include superelastic patches or shape memory tubes may also be used to advantage to capture the shape of (partial) bones or other objects.
本発明による形状検知システムは、位置合わせツール、高速位置合わせデバイス、又は類似の医療用器具などの医療用デバイス、及びそのようなデバイスの使用方法も含み、デバイスは最小侵襲性切開部を通って切開部からの直接見通し線内にない領域に到達することのできるポインタ先端部を有している。1DoFの操作可能な先端部は、デバイスのハンドル又は他の固定具で利用可能な「手動の」6自由度(DoF)の方向付けによって、先端部の多くの異なる可能な位置及び配向を提供する。デバイスの長さに沿って配置され又は埋め込まれた光学的形状検知も有しているデバイスの端部又は先端部において、位置合わせ点が1DoFで柔軟に取得され得るので、ファイバに沿ったデバイスの形状、位置、及び配向がわかり、患者の解剖学的構造が術前計画に位置合わせされ得る。よって、光学的形状検知ファイバは、デバイスの先端部で、体内の湾曲した経路に沿った位置合わせ及び柔軟に変化する点における位置合わせを可能にするために用いられ得る。 Shape sensing systems according to the present invention also include medical devices, such as alignment tools, rapid alignment devices, or similar medical instruments, and methods of using such devices, where the device passes through a minimally invasive incision. It has a pointer tip that can reach areas not directly in line of sight from the incision. The 1 DoF steerable tip provides many different possible positions and orientations of the tip with "manual" 6 degree of freedom (DoF) orientation available on the handle or other fixture of the device. .. At the end or tip of the device, which also has optical shape sensing located along the length of the device or embedded, the alignment point can be flexibly obtained with 1 DoF, so that the device along the fiber The shape, position, and orientation are known, and the patient's anatomy can be aligned with the preoperative plan. Thus, optical shape sensing fibers can be used at the tip of the device to allow alignment along curved paths in the body and at flexibly changing points.
光学的形状検知システムを用いて骨を追跡する方法は、骨に対する場所にアタッチメントデバイスを接続することと;アタッチメントデバイスに接続された光学的形状検知ファイバを用いてアタッチメントデバイスの位置及び配向を識別することと;光学的形状検知ファイバからのフィードバックを用いて、解剖学的マップに対してアタッチメントデバイスの位置を位置合わせすることと;骨の位置的及び配向的な変化を解剖学的マップで表示することと、を含む。 Methods of tracking bone using an optical shape sensing system include connecting an attachment device at a location relative to the bone; identifying the position and orientation of the attachment device using an optical shape sensing fiber connected to the attachment device. Aligning the position of the attachment device with respect to the anatomical map using feedback from an optical shape sensing fiber; displaying the positional and orientational changes of the bone in the anatomical map And that.
本開示のこれら及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面と関連して読まれるべき以下の例示的な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。 These and other objects, features, and advantages of the present disclosure will be apparent from the following detailed description of exemplary embodiments, which should be read in conjunction with the accompanying drawings.
本開示は、以下の図を参照して、以下の好適な実施形態の説明を詳細に提示する。 The present disclosure presents in detail the following description of preferred embodiments with reference to the following figures.
一実施形態による、骨移動を追跡する形状検知システムを示すブロック/フロー図である。FIG. 6 is a block/flow diagram illustrating a shape sensing system for tracking bone movement, according to one embodiment. 別の一実施形態による、骨移動を追跡するマルチセンサ形状検知システムを示すブロック/フロー図である。FIG. 6 is a block/flow diagram illustrating a multi-sensor shape sensing system for tracking bone movement according to another embodiment. 別の一実施形態による、骨移動を追跡する単一センサ形状検知システムを示すブロック/フロー図である。FIG. 6 is a block/flow diagram illustrating a single sensor shape sensing system for tracking bone movement according to another embodiment. 一実施形態による、ねじ軸を備えたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6A illustrates a button locking mechanism with a screw shaft, according to one embodiment. 一実施形態による、ピンを備えたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6 illustrates a button locking mechanism with pins, according to one embodiment. 一実施形態による、骨セメントを用いたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6 illustrates a button fixation mechanism using bone cement according to one embodiment. 一実施形態による、骨クランプを備えたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6A illustrates a button locking mechanism with a bone clamp, according to one embodiment. 一実施形態による、皮膚に適用されたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6A illustrates a button fastening mechanism applied to the skin, according to one embodiment. 一実施形態による、骨クランプを備えたブリッジアタッチメントデバイスを示す図である。FIG. 6 illustrates a bridge attachment device with a bone clamp, according to one embodiment. 一実施形態による、S字状のファイバ路を備えたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6 illustrates a button locking mechanism with an S-shaped fiber path, according to one embodiment. 一実施形態による、環状のファイバ路を備えたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6 illustrates a button locking mechanism with an annular fiber path, according to one embodiment. 一実施形態による、材料に埋め込まれた直線状のファイバ路を備えたボタン固定機構を示す図である。FIG. 6A illustrates a button locking mechanism with a straight fiber path embedded in a material, according to one embodiment. 一実施形態による、アタッチメントデバイスとして用いられる二分割ボタン固定機構を示す図である。FIG. 6 illustrates a two-piece button locking mechanism used as an attachment device, according to one embodiment. 一実施形態による、座標系及び骨移動を追跡する形状検知システムの異なる構成要素の位置合わせを示すブロック/フロー図である。FIG. 6 is a block/flow diagram illustrating alignment of different components of a shape sensing system that tracks a coordinate system and bone movement, according to one embodiment. 例示的な一実施形態による、骨をデジタル化する形状検知ファイバを内部に有する剛性ポインタを示す図である。FIG. 4A illustrates a rigid pointer having a shape sensing fiber therein for digitizing bone according to an exemplary embodiment. 例示的な一実施形態による、骨をデジタル化する形状検知ファイバを内部に有する可変形ポインタを示す図である。FIG. 4A illustrates a deformable pointer having a shape sensing fiber therein for digitizing bone according to an exemplary embodiment. 例示的な一実施形態による、骨をデジタル化する形状検知ファイバを内部に有する可変形アタッチメントを示す図である。FIG. 3A illustrates a deformable attachment having a shape sensing fiber therein for digitizing bone according to an exemplary embodiment. 例示的な一実施形態による、骨移動の形状検知追跡方法を示すブロック/フロー図である。FIG. 6 is a block/flow diagram illustrating a shape sensing and tracking method for bone movement, according to an illustrative embodiment. 整形外科的処置において本発明の原理を使用するための例示的なワークフローを示すブロック/フロー図である。FIG. 6 is a block/flow diagram illustrating an exemplary workflow for using the principles of the present invention in an orthopedic procedure. 例示的な一実施形態による、光学的形状検知ファイバの形をした高速位置合わせデバイス上の位置合わせ点を用いた高速位置合わせを示す図である。FIG. 6 illustrates fast alignment with alignment points on a fast alignment device in the form of an optical shape sensing fiber, according to an illustrative embodiment. 例示的な一実施形態による、高速位置合わせの一部としての骨形状の測定を示す図である。FIG. 6 illustrates bone shape measurement as part of fast alignment, according to an illustrative embodiment. 一実施形態による、形状検知グローブの形をした装着型高速位置合わせデバイスを示す図である。FIG. 6 illustrates a wearable fast alignment device in the shape of a shape sensing glove, according to one embodiment. 一実施形態による、形状検知リングの形をした装着型高速位置合わせデバイスを示す図である。FIG. 6 illustrates a wearable fast alignment device in the form of a shape sensing ring, according to one embodiment. 一実施形態による、形状検知リングを用いて取得されたランドマークを利用した位置合わせ結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a registration result using a landmark acquired using a shape detection ring according to an embodiment. 一実施形態による、予め定義された骨性ランドマーク、形状検知リングによって取得された点、及びOSSファイバの測定形状を示す図である。FIG. 6 illustrates a predefined bone landmark, points acquired by a shape sensing ring, and measured shape of an OSS fiber, according to one embodiment. 一実施形態による、形状検知ファイバを埋め込まれた薄い超弾性パッチを含む高速位置合わせデバイスを示す図である。FIG. 6 illustrates a fast alignment device including a thin superelastic patch with embedded shape sensing fibers, according to one embodiment. 一実施形態による、骨表面と接触する高速位置合わせデバイスの位置合わせ形状を示す図である。FIG. 6A illustrates an alignment geometry of a fast alignment device in contact with a bone surface, according to one embodiment. 例示的な一実施形態による、初期ランドマーク位置合わせ後の骨及びOSSファイバを示す図である。FIG. 6A illustrates bone and OSS fiber after initial landmark alignment, according to an illustrative embodiment. 例示的な一実施形態による、改善された位置合わせ後の骨及びOSSファイバを示す図である。FIG. 4A illustrates a bone and OSS fiber after improved alignment, according to an illustrative embodiment.
本発明の原理によれば、手術処置の際に器具及び移植物の相対位置を解剖学的マップに重ねて表示するために用いられ得る形状検知のためのシステム及び方法が提供される。一実施形態においては、形状検知には患者に取り付けられた形状検知光ファイバが使用され、形状検知測定は解剖学的マップに位置合わせされ得る。解剖学的マップに関する形状検知マーカの位置はユーザに対して表示され得る。また、形状検知光ファイバは、位置を追跡するために、ドリルや切断リグ(cutting rigs)などの整形外科器具又は他の器具に取り付けられてもよい。光学的形状検知は、マルチコア光ファイバに沿った光を用いて、そのファイバに沿った形状を復元する。これに纏わる原理は、特徴的なレイリー後方散乱又は制御された格子パターンを用いて光ファイバ内における歪み分布測定を利用する。光ファイバに沿った形状は、導入(launch)又はz=0として知られるセンサに沿った識別の点で開始し、以降の形状位置及び配向はその点に対して相対的である。光ファイバは、例えば直径が200ミクロン、長さが数メートル以下であってもよく、その一方でミリメートルレベルの精度を維持する。光学的形状検知ファイバは、医療処置のライブでのガイダンスを提供するべく、幅広い医療用デバイスに組み込まれることが可能である。一例として、ガイドワイヤ又はカテーテルが、光学的形状検知測定が術前画像又は術中画像に重ねられた状態で、動脈へのナビゲーションのために使用されてもよい。形状検知によって測定された位置/配向は、ディスプレイ上での解剖学的可視化を更新するために用いられる。 In accordance with the principles of the present invention, there is provided a system and method for shape sensing that may be used to display relative positions of instruments and implants on an anatomical map during a surgical procedure. In one embodiment, the shape sensing uses fiber optics attached to the patient and the shape sensing measurements can be aligned with the anatomical map. The position of the shape sensing marker with respect to the anatomical map can be displayed to the user. The shape sensing optical fiber may also be attached to orthopedic instruments or other instruments such as drills and cutting rigs to track position. Optical shape sensing uses light along a multi-core optical fiber to restore the shape along that fiber. The principle involved is to utilize strain distribution measurements in an optical fiber with a characteristic Rayleigh backscatter or controlled grating pattern. The shape along the optical fiber starts at a point of identification along the sensor, known as the launch or z=0, and subsequent shape positions and orientations are relative to that point. The optical fiber may be, for example, 200 microns in diameter and a few meters in length or less, while maintaining millimeter level accuracy. Optical shape sensing fibers can be incorporated into a wide range of medical devices to provide live guidance for medical procedures. As an example, a guide wire or catheter may be used for navigation to the artery with optical shape sensing measurements superimposed on the pre- or intra-operative images. The position/orientation measured by shape sensing is used to update the anatomical visualization on the display.
光学的形状検知コンピュータ支援手術(CAS)システムの一例は、例えば大腿骨及び脛骨の相対位置を使用し、これらはそれぞれ、骨に取り付けられた光学的形状検知ファイバによって検知される。光学的形状検知ファイバは、例えば導入位置において、互いに共同位置合わせされる。光学反射又は散乱は各骨の位置を出力するコンソールに戻り、手術者に対して表示され得る。 One example of an optical shape sensing computer-assisted surgery (CAS) system uses, for example, the relative position of the femur and tibia, each of which is sensed by an optical shape sensing fiber attached to the bone. The optical shape sensing fibers are co-registered with each other, for example in the introduction position. The optical reflections or scatters are returned to the console which outputs the position of each bone and can be displayed to the operator.
本発明は医療用器具に関して説明されていることは理解されよう。しかしながら、本発明の教示は幅広いものであって、どんな光ファイバ器具にも適用可能である。いくつかの実施形態においては、本発明の原理は、複雑な生物系又は機械系の追跡又は解析に使用される。特に、本発明の原理は、生物系の内部追跡処置や、肺、胃腸管、排泄器官、血管など身体のあらゆる部位における処置に適用可能である。図面に図示されている要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実現されてもよく、単一の要素又は複数の要素に組み合わせられる機能を提供してもよい。 It will be appreciated that the invention has been described with reference to medical devices. However, the teachings of the present invention are broad and applicable to any fiber optic instrument. In some embodiments, the principles of the present invention are used to track or analyze complex biological or mechanical systems. In particular, the principles of the present invention are applicable to internal tracing of biological systems and treatments at any part of the body such as lungs, gastrointestinal tract, excretory organs, blood vessels. The elements depicted in the figures may be implemented in various combinations of hardware and software and may provide the functionality combined in a single element or in multiple elements.
図面に示されている様々な要素の機能は、専用のハードウェア及び適当なソフトウェアと連携してソフトウェアを実行することのできるハードウェアの使用を通じて提供され得る。プロセッサによって提供されるときには、これらの機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共用プロセッサによって、又は複数の個々のプロセッサであってそのうちのいくつかが共用可能であるものによって、提供され得る。また、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することのできるハードウェアのみを指すものであると解釈されるべきではなく、限定ではないがデジタル信号プロセッサ(「DSP」)ハードウェア、ソフトウェアを記憶する読み出し専用メモリ(「ROM」)、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、不揮発性記憶装置などを暗黙的に含み得る。 The functionality of the various elements shown in the figures may be provided through the use of dedicated hardware and hardware capable of executing software in conjunction with suitable software. When provided by a processor, these functions may be provided by a single dedicated processor, by a single shared processor, or by multiple individual processors, some of which may be shareable. .. Also, the explicit use of the terms "processor" or "controller" should not be construed as referring only to hardware capable of executing software, including but not limited to digital signal processors (" DSP") hardware, read-only memory ("ROM") for storing software, random access memory ("RAM"), non-volatile storage, etc. may be implicitly included.
さらに、本発明の原理、態様、及び実施形態ならびにその具体例を記載する本明細書中のすべての記述は、それらの構造的均等物及び機能的均等物を包含することを意図されている。また、そのような均等物は、現在知られている均等物と将来開発される均等物(すなわち、開発される任意の要素であって構造にかかわらず同じ機能を実行するもの)との両方を含むことが意図されている。よって、例えば、当業者には、本明細書において提示されるブロック図は本発明の原理を具現化する例示的なシステム構成要素及び/又は回路の概念的な図を表すものであることが察知されるであろう。同様に、いずれのフローチャート、フロー図、及び類似のものも、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で実質的に表され得る、したがってコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらずコンピュータ又はプロセッサによって実行され得る、様々な処理を表すことが察知されるであろう。 Furthermore, all statements herein that describe principles, aspects, and embodiments of the invention and specific examples thereof are intended to encompass structural and functional equivalents thereof. Also, such equivalents are both currently known equivalents as well as future developed equivalents (ie, any elements developed which perform the same function regardless of structure). Is intended to be included. Thus, for example, those skilled in the art will recognize that the block diagrams presented herein represent conceptual illustrations of exemplary system components and/or circuits embodying the principles of the invention. Will be done. Similarly, any flowcharts, flow diagrams, and the like may be substantially represented by computer-readable storage media, and therefore computer or processor whether or not explicitly shown. It will be appreciated that they represent various processes that can be performed by.
また、本発明の実施形態は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによって又はこれらと関連して用いられるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ読み取り可能な記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形をとることができる。本明細書の目的では、コンピュータ使用可能又はコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって又はこれらと関連して用いられるプログラムを含み、記憶し、通信し、伝播し、又は輸送し得る任意の装置であり得る。媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、若しくは半導体システム(若しくは装置若しくはデバイス)、又は伝播媒体であり得る。コンピュータ読み取り可能な媒体の例は、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、剛性磁気ディスク、及び光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク読み出し専用メモリ(CD−ROM)、コンパクトディスク読み出し/書き込み(CD−R/W)、Blu−Ray(商標)、及びDVDを含む。 Embodiments of the invention also take the form of a computer program product accessible from a computer-usable or computer-readable storage medium that provides program code for use by or in connection with a computer or any instruction execution system. Can be taken. For the purposes of this specification, a computer-usable or computer-readable storage medium includes, stores, communicates, propagates, or contains a program used by or in connection with an instruction execution system, apparatus, or device. It can be any device that can be transported. The medium can be an electronic, magnetic, optical, electromagnetic, infrared, or semiconductor system (or device or device), or a propagation medium. Examples of computer readable media include semiconductor or solid state memory, magnetic tape, removable computer diskettes, random access memory (RAM), read only memory (ROM), rigid magnetic disks, and optical disks. Current examples of optical discs include compact disc read only memory (CD-ROM), compact disc read/write (CD-R/W), Blu-Ray™, and DVD.
次に図面を参照するが、図面中、同様の数字は同一又は類似の要素を表す。初めに図1を参照すると、一実施形態による、形状検知可能なデバイスを用いる整形外科的用途及び他の用途における光学的形状検知ガイダンスのためのシステム100が例示的に示されている。システム100はワークステーション又はコンソール112を含んでいてもよく、ここから処置が監督され及び/又は管理される。ワークステーション112は、好適には、1つ以上のプロセッサ114と、プログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ116とを含む。メモリ116は、形状検知デバイス又はシステム104からの光学フィードバック信号を解釈するように構成された形状検知及び解釈モジュール115を記憶していてもよい。形状検知モジュール115は、光ファイバ信号フィードバックを用いて、骨若しくは関節の位置又は他の解剖学的特徴若しくは手術器具の位置に関連する変形、偏向、及び他の変化を復元するように構成されている。モジュール115は、ファイバセンサ(又は取り付けられている場合には骨)の位置及び配向の実時間での可視化のための情報を提供するように構成されている。 Referring now to the drawings, in which like numerals represent identical or similar elements. Referring initially to FIG. 1, a system 100 for optical shape sensing guidance in orthopedic and other applications using shape sensing devices is illustratively shown according to one embodiment. The system 100 may include a workstation or console 112 from which treatment is supervised and/or managed. The workstation 112 preferably includes one or more processors 114 and memory 116 for storing programs and applications. The memory 116 may store a shape sensing and interpretation module 115 configured to interpret the optical feedback signal from the shape sensing device or system 104. The shape sensing module 115 is configured to use fiber optic signal feedback to restore deformations, deflections, and other changes associated with bone or joint position or other anatomical features or position of surgical instruments. There is. Module 115 is configured to provide information for real-time visualization of the position and orientation of the fiber sensor (or bone, if attached).
形状検知システム104は、1つ以上の光ファイバセンサ102を含む。各センサ102は、1つ又は複数の設定パターンで構成された光ファイバ126を含む。光ファイバ126は、導入マウント125及び配線127(通信光ファイバを含む)を通じてワークステーション112に接続する。配線127は、必要に応じて、光ファイバ、電気的接続、他の器具類などを含んでいてもよい。配線127は、1つ又は複数の光源106を含むか又はこれと協働する光学的問合せユニット(optical interrogation unit)108とインタフェースする。光学的問合せユニット108は、形状検知システム104からの光信号を送信及び受信する。手術室レール124又は他の基準位置は、1つ以上の光ファイバセンサ102の基準点又は導入点(z=0)を含む導入マウント125を備えていてもよい。 Shape sensing system 104 includes one or more fiber optic sensors 102. Each sensor 102 includes an optical fiber 126 configured with one or more setting patterns. The optical fiber 126 connects to the workstation 112 through the introduction mount 125 and the wiring 127 (including the communication optical fiber). The wiring 127 may include an optical fiber, an electrical connection, other instruments, and the like, if necessary. Wiring 127 interfaces with an optical interrogation unit 108 that includes or cooperates with one or more light sources 106. Optical interrogation unit 108 transmits and receives optical signals from shape sensing system 104. The operating room rails 124 or other reference positions may include an introduction mount 125 that includes a reference point or introduction point (z=0) for one or more fiber optic sensors 102.
光ファイバを備えた形状検知システム104は、光ファイバブラッグ格子センサに基づいていてもよい。光ファイバブラッグ格子(FBG)とは、光の識別の波長を反射しそれ以外はすべて透過する光ファイバの短いセグメントである。これはファイバコアの屈折率の周期的変動を加算することによって達成され、それにより波長特異的誘電体ミラーが生成される。したがって、ファイバブラッグ格子は、ある識別の波長を遮断するためのインライン光学フィルタとして、又は波長特異的反射体として用いられ得る。 The shape sensing system 104 with optical fiber may be based on a fiber optic Bragg grating sensor. An optical fiber Bragg grating (FBG) is a short segment of optical fiber that reflects the wavelengths of light identification and transmits everything else. This is achieved by adding periodic variations in the index of refraction of the fiber core, which creates a wavelength-specific dielectric mirror. Thus, fiber Bragg gratings can be used as in-line optical filters to block certain discriminating wavelengths or as wavelength-specific reflectors.
従来の光ファイバに固有の後方散乱がOSSに活用できる。そのようなアプローチの1つは、標準的な単一モード通信ファイバにおけるレイリー散乱(又は他の散乱)を用いる。レイリー散乱は、ファイバコアの屈折率のランダム変動の結果として生じる。こうしたランダム変動は、格子長に沿った振幅及び位相のランダム変化を有するブラッグ格子としてモデル化され得る。単一長さのマルチコアファイバ内に延在する3つ以上のコアにおいてこの効果を利用することによって、対象表面の3D形状及び力学を辿ることができる。 The backscatter inherent in conventional optical fibers can be exploited for OSS. One such approach uses Rayleigh scattering (or other scattering) in standard single mode communication fibers. Rayleigh scattering occurs as a result of random variations in the refractive index of the fiber core. Such random fluctuations can be modeled as a Bragg grating with random changes in amplitude and phase along the grating length. By exploiting this effect in three or more cores extending into a single length multi-core fiber, the 3D shape and dynamics of the target surface can be traced.
ファイバブラッグ格子(FBG)は、屈折率が変化する界面の各々におけるフレネル反射を利用するOSSにも使用され得る。いくつかの波長に関しては、反射については強め合う干渉が存在し、その結果、透過については弱め合う干渉が存在するように、様々な周期の反射光が同位相である。ブラッグ波長は歪み及び温度に敏感である。これは、ブラッグ格子が光ファイバセンサにおいて検知素子として用いられ得ることを意味する。FBGセンサでは、測定量(例えば歪み)はブラッグ波長のシフトを引き起こす。 Fiber Bragg Gratings (FBGs) can also be used in OSSs that utilize Fresnel reflection at each of the interfaces with varying refractive index. For some wavelengths, the reflected light of different periods is in phase, such that there is constructive interference for reflection and consequently destructive interference for transmission. Bragg wavelengths are strain and temperature sensitive. This means that Bragg gratings can be used as sensing elements in fiber optic sensors. In FBG sensors, the measurand (eg strain) causes a shift in the Bragg wavelength.
OSSの1つの利点は、様々なセンサ素子がファイバの全長に亘って分布し得るということである。ある構造物に埋め込まれるファイバの長さに沿って様々なセンサ(ゲージ)に3つ以上のコアを組み込むことは、そのような構造物の3次元形態が、典型的には1mmよりも良好な精度をもって、正確に決定されることを可能にする。ファイバの長さに沿って、様々な位置に、多数のFBGセンサが配置され得る。各FBGの歪み測定から、その位置における構造物の曲率が推定され得る。多数の測定位置から、全体の3次元形態が決定される。 One advantage of OSS is that various sensor elements can be distributed over the length of the fiber. Incorporating more than two cores into various sensors (gauges) along the length of the fiber embedded in a structure is such that the three-dimensional morphology of such structures is typically better than 1 mm. Allows to be accurately and accurately determined. Multiple FBG sensors may be placed at various locations along the length of the fiber. From the strain measurement of each FBG, the curvature of the structure at that location can be estimated. From the multiple measurement positions, the overall three-dimensional morphology is determined.
一実施形態においては、1つ以上の光ファイバセンサ102は、アタッチメントデバイス130を用いて骨又は他の解剖学的特徴128に接続される。アタッチメントデバイス130は、骨ねじ、ピン、セメント、接着剤、クランプなどを含む複数の異なる構成を含んでいてもよい。1つ以上の光学センサ102は医療用デバイス103にも接続されてもよく、これはポインタ、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、電極、フィルタデバイス、バルーンデバイス、ポインタ、ドリル、切断リグ、又は他の医療構成要素などを含み得る。 In one embodiment, one or more fiber optic sensors 102 are connected to bone or other anatomical feature 128 using attachment device 130. Attachment device 130 may include a number of different configurations including bone screws, pins, cements, adhesives, clamps and the like. One or more optical sensors 102 may also be connected to a medical device 103, which may be a pointer, catheter, guide wire, probe, endoscope, robot, electrode, filter device, balloon device, pointer, drill, cut. It may include a rig, or other medical component or the like.
ワークステーション112は、形状検知システム104からのフィードバックを受信するとともに1つ以上の光ファイバセンサ102が容量131内のどこにあったのかに関する位置データを記録するように構成された画像生成モジュール148を含む。空間又は容量131内の1つ以上の光学センサ102の画像134が表示デバイス118上に表示され得る。ワークステーション112は、被験体(患者)又は容量131の内部画像を閲覧するためのディスプレイ118を含んでおり、撮像デバイス110によって収集された画像上に検知デバイス104のオーバレイ又は他の描画として画像134を含んでいてもよい。撮像デバイス110は任意の撮像システム(例えばCT、超音波、蛍光透視、MRIなど)を含んでいてもよい。ディスプレイ118は、ユーザがワークステーション112ならびにその構成要素及び機能、又はシステム100内の任意の他の要素と相互働くことも可能にし得る。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイス、又はユーザにワークステーション112からのフィードバック及びワークステーション112との相互作用を可能にするための任意の他の周辺機器又は制御を含み得るインタフェース120によって、さらに容易になる。 The workstation 112 includes an image generation module 148 that is configured to receive feedback from the shape sensing system 104 and record position data regarding where the one or more fiber optic sensors 102 were within the volume 131. .. An image 134 of one or more optical sensors 102 in space or volume 131 may be displayed on display device 118. The workstation 112 includes a display 118 for viewing internal images of a subject (patient) or volume 131, and an image 134 as an overlay or other depiction of the sensing device 104 on the images collected by the imaging device 110. May be included. Imaging device 110 may include any imaging system (eg, CT, ultrasound, fluoroscopy, MRI, etc.). Display 118 may also allow a user to interact with workstation 112 and its components and functions, or any other element within system 100. This may be via an interface 120, which may include a keyboard, mouse, joystick, haptic device, or any other peripheral device or control to allow the user to provide feedback from and interact with the workstation 112. It will be easier.
システム100は光ファイバ形状検知に基づいており、手術処置の際に、骨128の相対位置及び配向又はその表現を、解剖学的マップ136を用いて又はその上で可視化して(例えば容量131の解剖学的画像又は表現)表示するために用いられ得る。システム100は、患者160(例えば皮膚、骨など)への光学的形状検知ファイバの取り付けと、解剖学的マップ136への光ファイバセンサ102の位置合わせと、解剖学的マップ136に関する光学的形状検知マーカ又はアタッチメントデバイス130の位置の表示と、ドリル、切断リグなどの整形外科器具103への光学的形状検知ファイバ126の取り付けとを含む。 System 100 is based on fiber optic shape sensing and visualizes the relative position and orientation of bone 128 or its representation during or during a surgical procedure using or on anatomical map 136 (eg, of volume 131). Anatomical image or representation) can be used for display. The system 100 attaches an optical shape sensing fiber to a patient 160 (eg, skin, bone, etc.), aligns the fiber optic sensor 102 with an anatomical map 136, and optical shape sensing with respect to the anatomical map 136. Includes indication of the position of the marker or attachment device 130 and attachment of the optical shape sensing fiber 126 to the orthopedic surgical instrument 103, such as a drill, cutting rig.
図2を参照すると、一実施形態によるマルチセンサ光ファイバ形状検知システム200の一例が示されている。システム200は、ディスプレイ118を備えたコンソール112を含む。この例においては、大腿骨202及び脛骨204がそれぞれ、アタッチメントデバイス130によって各骨に取り付けられた光学的形状検知ファイバ206(図1では102)によって検知される。光学的形状検知ファイバ206は、導入位置125において、例えば手術室のプラットホーム又はベッドの側方で、互いに共同位置合わせされる。光ファイバ127は各骨の位置を出力するコンソール112へと戻り、これが手術者に対してディスプレイ118上で表示され得る。マルチセンサシステム200は、この場合には、形状検知ナビゲーションガイダンスを提供するために、脛骨204及び大腿骨202への取り付けを含む。しかしながら、任意の骨の組み合わせ、他の構造物、又は他の特徴への取り付けが行われてもよい。これは、追跡対象の他の器具又はデバイスも含み得る。光学的形状検知ファイバを器具又は道具に取り付けるためのアタッチメント点も提供されてもよい。 Referring to FIG. 2, an example of a multi-sensor fiber optic shape sensing system 200 according to one embodiment is shown. System 200 includes a console 112 with a display 118. In this example, femur 202 and tibia 204 are each detected by optical shape sensing fiber 206 (102 in FIG. 1) attached to each bone by attachment device 130. The optical shape sensing fibers 206 are co-aligned with each other at the entry position 125, eg, lateral to the operating room platform or bed. The optical fiber 127 returns to the console 112, which outputs the position of each bone, which may be displayed to the operator on the display 118. Multi-sensor system 200, in this case, includes attachment to tibia 204 and femur 202 to provide shape-sensitive navigation guidance. However, attachment to any bone combination, other structure, or other feature may be made. It may also include other instruments or devices that are tracked. Attachment points for attaching the optical shape sensing fiber to an instrument or tool may also be provided.
図3を参照すると、単一センサシステム300が使用されてもよい。そのような配列は、インテロゲーションする光学的形状検知ファイバ306を1つしか有さないことによって複雑さ及び費用を軽減させているためである。このシステム300においては、コンソールへの通信ファイバ/配線127が大腿骨202上のアタッチメントデバイス130に接続し、光学センサ306が配線127に接続する。大腿骨202上のアタッチメントデバイス130は、脛骨204上の測定のための基準点(導入点)としても作用し得る。ファイバ306の遠位端は脛骨204上のアタッチメントデバイス130に接続する。ファイバ306は他の器具又はガイドに接続するためのアタッチメント部312を有していてもよい。単一センサシステム300は、この場合には、光学的形状検知ナビゲーションガイダンスを提供するために、脛骨204及び大腿骨202への取り付けを含む。しかしながら、任意の骨の組み合わせ、他の構造物、又は他の特徴への取り付けが行われてもよい。これは、追跡対象の他の器具又はデバイスも含み得る。器具又は道具への取り付けのためのアタッチメント点又はアタッチメント部312があってもよい。この場合、大腿骨202上のアタッチメントデバイス130が、単一ファイバセンサ306のための導入点又は基準として働く。 Referring to FIG. 3, a single sensor system 300 may be used. Such an arrangement reduces complexity and cost by having only one interrogating optical shape sensing fiber 306. In this system 300, a communication fiber/wiring 127 to the console connects to the attachment device 130 on the femur 202 and an optical sensor 306 connects to the wiring 127. The attachment device 130 on the femur 202 may also act as a reference point (introduction point) for measurements on the tibia 204. The distal end of fiber 306 connects to attachment device 130 on tibia 204. Fiber 306 may have attachments 312 for connecting to other instruments or guides. Single sensor system 300, in this case, includes attachment to tibia 204 and femur 202 to provide optical shape sensing navigation guidance. However, attachment to any bone combination, other structure, or other feature may be made. It may also include other instruments or devices that are tracked. There may be attachment points or attachment portions 312 for attachment to an instrument or tool. In this case, the attachment device 130 on the femur 202 serves as an entry point or reference for the single fiber sensor 306.
本発明の原理による光ファイバ形状検知の、見通し線光学追跡を凌ぐ利点は、センサ206、306の低寸法及び低重量である。これは、センサ206、306が、患者にとってより好ましい手法で骨に取り付けられ得ることを意味する。ねじ穴の寸法、深さ、及び数を減少させることは、患者の回復を増進したり、骨折及び感染症などの合併症を軽減したりすることができ、且つ臨床医の間で採用を増加させ得る。光ファイバセンサ206、306を骨に取り付けることのできる手法は多くある。これらのアタッチメントデバイス130は、通常は、追跡の正確さのために侵襲性を犠牲にしている。例えば、骨ねじは最も侵襲性のアプローチではあるが最も強固な固定を提供することができ、その一方で、皮膚用接着剤は最小侵襲性ではあるが骨位置の追跡の正確さに劣る。固定アプローチは、用途の精度要件に依存し得る。 The advantages of fiber optic shape sensing according to the principles of the present invention over line-of-sight optical tracking are the low size and low weight of the sensors 206, 306. This means that the sensors 206, 306 can be attached to the bone in a more patient-friendly manner. Reducing screw hole size, depth, and number can improve patient recovery, reduce complications such as fractures and infections, and increase adoption among clinicians Can be done. There are many ways in which the fiber optic sensors 206, 306 can be attached to bone. These attachment devices 130 typically sacrifice invasiveness for tracking accuracy. For example, bone screws can provide the most invasive approach but the most robust fixation, while skin adhesives are minimally invasive but have less accurate bone position tracking. The fixed approach may depend on the accuracy requirements of the application.
図4A乃至図4Fを参照すると、光ファイバ形状検知ナビゲーションのアタッチメントデバイス130の例が例示的に示されている。光学的形状検知アタッチメントデバイス130は、患者に固定されるように構成され位置合わせフレームの患者への係留手法を提供する点又はボタン固定機構402を含む。ボタン固定機構又はボタン402は円形であってもよく、又は他の形状(例えばS字湾曲など)を呈してもよい。センサ102からの光学的形状検知ファイバ126は、位置合わせフレームを提供するべくアタッチメントデバイス130に(ボタン固定機構に)接続され又は取り付けられる。図4A乃至図4Fは、患者上のボタン固定機構又はボタン402を備えたいくつかの例示的なアタッチメントデバイス130を示す。 Referring to FIGS. 4A-4F, an exemplary attachment device 130 for fiber optic shape sensing navigation is illustratively shown. The optical shape sensing attachment device 130 includes a point or button locking mechanism 402 that is configured to be secured to the patient and that provides a way for the alignment frame to be anchored to the patient. The button locking mechanism or button 402 may be circular or may exhibit other shapes (eg, S-curve, etc.). An optical shape sensing fiber 126 from the sensor 102 is connected or attached (to a button locking mechanism) to an attachment device 130 to provide an alignment frame. 4A-4F show some exemplary attachment devices 130 with a button locking mechanism or button 402 on the patient.
図4Aを参照すると、単一骨ねじアタッチメントデバイス130aは、骨ねじ軸404に接続されたボタン機構又はボタン402を含む。光ファイバ形状検知の場合、単一骨ねじが使用されてもよく、視線光学トラッカの場合に通常使用されるよりも小さな直径が用いられ得る。また、形状を要因として、光ファイバ及びアタッチメントデバイス130aは、臨床的作業空間を妨害し難く、且つ処置の際の機械的相互作用に曝され難い。アタッチメントデバイス130aは、CASの既存のワークフローに対する最小限の変更と、骨と光ファイバとの間の強力な結合とをもたらす。ねじ軸404は、皮膚420を貫通して骨422まで届いてもよく、あるいは骨422に直接適用されてもよい。 With reference to FIG. 4A, a single bone screw attachment device 130 a includes a button mechanism or button 402 connected to a bone screw shaft 404. For fiber optic shape sensing, a single bone screw may be used, and a smaller diameter may be used than is normally used for line-of-sight optical trackers. Also, due to the shape, the optical fiber and attachment device 130a is less likely to obstruct the clinical workspace and is less exposed to mechanical interactions during the procedure. Attachment device 130a provides minimal modification to CAS's existing workflow and a strong bond between the bone and the optical fiber. The screw shaft 404 may extend through the skin 420 to the bone 422 or may be applied directly to the bone 422.
図4Bを参照すると、光ファイバは骨内への深い固定を必要としない非常に軽い構成要素であるため、一皮層(unicortical)ピンアタッチメントデバイス130bは光ファイバのこの特性を利用している。骨の皮層部を避けることによって、感染症及び骨折の危険性が大幅に低減される。一皮層ピン軸406はマイクロピンアプローチを含んでいてもよく、これは処置の開始時に固定を設置するために必要な時間を高速化することもできる。 Referring to FIG. 4B, the unicortical pin attachment device 130b takes advantage of this property of the optical fiber because it is a very light component that does not require deep fixation within the bone. By avoiding the cortical portion of the bone, the risk of infections and fractures is greatly reduced. The single cortical pin axis 406 may include a micropin approach, which may also speed up the time required to install the fixation at the beginning of the procedure.
図4Cを参照すると、骨セメントボタンアタッチメントデバイス130cは、骨セメント410を用いて小さなボタン402を骨422に取り付ける。ボタン402は処置の際に光ファイバを決まった場所に固定する。処置後、ボタン402は除去され、骨セメントはその場所に残されるか又は骨から除去される。この場合、骨への挿入又は損傷が生じることはない。 Referring to FIG. 4C, the bone cement button attachment device 130 c attaches the small button 402 to the bone 422 using bone cement 410. Buttons 402 lock the optical fiber in place during the procedure. After the procedure, the button 402 is removed and the bone cement is left in place or removed from the bone. In this case, no bone insertion or damage occurs.
図4Dを参照すると、骨クランプアタッチメントデバイス130dは、骨に留めて骨特徴に機械的に固定することが可能である。クランプ部408は、術前撮像(CT又はMRI)に基づいて、その患者のために特に設計され得る。これはクランプ部408に、識別の骨特徴に対するより強い把持力を与えるであろう。クランプ部408は、皮膚の上からの締め付けも提供し得るが、それによってもたらされる骨の追跡は精度が低くなり得る。 Referring to FIG. 4D, the bone clamp attachment device 130d can be clipped to bone and mechanically secured to a bone feature. The clamp 408 can be specifically designed for the patient based on pre-operative imaging (CT or MRI). This will give the clamp 408 a stronger grip on the discriminating bone feature. The clamp portion 408 may also provide clamping over the skin, but the resulting bone tracking may be less accurate.
図4Eを参照すると、皮膚用接着剤アタッチメントデバイス130eは、皮膚用接着剤412を用いて、1点又は多くの点でボタン402を皮膚に取り付ける。ボタン402に取り付けられる光ファイバの軽さが、こうした手法で解剖学的構造を追跡することを可能にする1つの要因である。 Referring to FIG. 4E, skin adhesive attachment device 130e attaches button 402 to the skin at one or more points using skin adhesive 412. The lightness of the optical fiber attached to the button 402 is one factor that enables anatomy to be tracked in this manner.
図4Fを参照すると、ブリッジアタッチメントデバイス130fは、アタッチメント413を用いて、1点又は多くの点でボタン402を「ブリッジ」424又は他の部材に取り付ける。クランプデバイス425がブリッジ424を骨422に留めて骨特徴に機械的に固定し、ブリッジを骨422に対して決まった位置及び配向に維持する。クランプ及びブリッジの配列は、骨422のねじれ運動の影響を有利に吸収し又は弱めることができる。アタッチメント413は、接着剤、クリップ、ピン、ねじ、スロット、又はボタン402をブリッジ424上に保持するための任意の他の設備であってもよい。 Referring to FIG. 4F, the bridge attachment device 130f attaches the button 402 to the “bridge” 424 or other member at one or many points using the attachment 413. Clamping device 425 clamps bridge 424 to bone 422 to mechanically secure it to the bone feature and maintain the bridge in a fixed position and orientation relative to bone 422. The arrangement of clamps and bridges can advantageously absorb or dampen the effects of torsional movements of bone 422. Attachment 413 may be adhesive, clips, pins, screws, slots, or any other facility for holding button 402 on bridge 424.
図5A乃至図5Cを参照すると、光学的形状検知用の光ファイバをボタン402に取り付ける構成の例が例示的に示されている。光学的形状検知ファイバ126は多くの手法でボタン402に取り付けられ得る。ボタン402内への(光ファイバ無侵襲被覆による又はよらない)光ファイバ126の機械的な締め付けは、図5A及び図5Bに図示されるように、ファイバが静置される溝又は経路を備えていてもよい。経路は、S字状510(図5A)又は環状512(図5B)など、所定の形状を備えていてもよい。図5Cの例においては、ファイバの直線部514がボタン402の材料516に埋め込まれているが、その一方で湾曲部はボタン402を中心として空間内で自由に変形可能である。埋め込まれるファイバの(例えば環状512又はS字状510以外の)任意の他の形状も採用可能である。光学的に形状を検知するファイバ126は、溝又は経路内に、固定されてもよいし、あるいは摺動可能に装着されてもよい。 Referring to FIGS. 5A to 5C, an example of a configuration in which an optical fiber for optical shape detection is attached to the button 402 is exemplarily shown. The optical shape sensing fiber 126 can be attached to the button 402 in many ways. Mechanical clamping of the optical fiber 126 (with or without a fiber optic non-invasive coating) into the button 402 comprises a groove or path in which the fiber rests, as illustrated in FIGS. 5A and 5B. May be. The path may have a predetermined shape, such as an S shape 510 (FIG. 5A) or an annular shape 512 (FIG. 5B). In the example of FIG. 5C, the straight portion 514 of the fiber is embedded in the material 516 of the button 402, while the bend is freely deformable in space about the button 402. Any other shape of embedded fiber (eg, other than annular 512 or sigmoid 510) is also possible. The optically shape sensing fiber 126 may be fixed or slidably mounted within the groove or path.
ファイバ126は、光ファイバ126上の接着剤又はクランプを用いてボタン402内へと(光ファイバ無侵襲被覆により又はよらずに)接続されてもよい。代替的には、自由浮動ファイバ(free floating fiber)126が光学的に追跡可能な(形状検知され得る)既知の形状を通過してもよい。これら及び/又は他の取り付けモードの組み合わせも考えられる。 The fiber 126 may be connected (with or without a fiber optic non-invasive coating) into the button 402 using an adhesive or clamp on the fiber optic 126. Alternatively, a free floating fiber 126 may pass through a known shape that is optically traceable (shape sensitive). Combinations of these and/or other mounting modes are also contemplated.
一実施形態においては、光ファイバ126はボタン402に永久的に取り付けられる。別の一実施形態においては、ボタン402は、ボタン402の一方の半分が固定部(例えばねじ、ピンなど)に永久的に取り付けられ、他方の半分がOSSテザー(OSS tether)(センサ102)に永久的に取り付けられるように、分割可能である。 In one embodiment, the optical fiber 126 is permanently attached to the button 402. In another embodiment, the button 402 is such that one half of the button 402 is permanently attached to a fixture (eg, screw, pin, etc.) and the other half is to the OSS tether (sensor 102). It is divisible so that it can be permanently attached.
図6を参照すると、二分割ボタン402は分割可能であり、アンカ部432、OSSテザー(ファイバ126又はセンサ102)が決まった位置にない状態で固定部430が臨床医によって設置されることを可能にする。すると、臨床医は、処置の際に適当な点において2つのボタン半体430、432を付着又は結合させることができる。ボタン半体430、432は、好適には1つの識別の配向でのみ、機械的嵌合部426を用いて結合するであろう(例えば楔止めされるであろう)。ボタン半体430、432の接続は、例えばクリップ、鉤、ねじ、磁石などの固締具(図示しない)を用いて行われ得る。この二分割ボタン構成は、1つのOSSテザー(ファイバ126)が部分432と共に、例えば異なるボタン半体430に取り付けることによって、処置の際に多くの手法で用いられることを可能にする。 Referring to FIG. 6, the split button 402 is separable, allowing the anchor 432 and OSS tether (fiber 126 or sensor 102) to be installed by the clinician without the fixed portion 430 in place. To The clinician can then attach or join the two button halves 430, 432 at the appropriate point during the procedure. The button halves 430, 432 will preferably be coupled (eg, wedged) with the mechanical fit 426 in only one discriminating orientation. The connection of the button halves 430, 432 can be made using fasteners (not shown) such as clips, hooks, screws, magnets, etc. This two-piece button configuration allows one OSS tether (fiber 126) to be used in many ways during a procedure, such as by attaching it to a different button half 430 along with a portion 432.
図7を参照すると、別の一実施形態がシステム500を示しており、アタッチメントデバイス又は点130の間での位置合わせを例示的に説明している。多くの光ファイバセンサ102が使用される場合、それらは形状間位置合わせ(shape−to−shape registration)、導入位置の機械的位置合わせ、点に基づく位置合わせなどを含む多くの技術を用いて相互に位置合わせされ得る。単一の光学的形状検知ファイバが多くのアタッチメントデバイス130を追跡するために用いられる場合には、同一の参照フレーム内のアタッチメントデバイス130が自動的にキャプチャされてもよい。 With reference to FIG. 7, another embodiment illustrates a system 500, which illustratively describes alignment between attachment devices or points 130. If many fiber optic sensors 102 are used, they may be interlocked using a number of techniques including shape-to-shape registration, mechanical alignment of introductory positions, point-based alignment, and the like. Can be aligned with. If a single optical shape sensing fiber is used to track many attachment devices 130, the attachment devices 130 in the same reference frame may be automatically captured.
形状検知測定を臨床医にとって有用なものとするために、測定は解剖学的マップのコンテキストで提供される。解剖学的マップは患者の如何なる表現であってもよいが、好適には画像又はモデルであり、術前画像(CT画像又はMRIなど)、術中画像(ライブ画像を含む)などを含んでいてもよい。場合によっては、位置合わせステップにあたり、解剖学的モデルが、特徴の測定に合致するように変形される。術中撮像も解剖学的マップを提供することができる。解剖学的マップは、追跡されるポインタ又は可変形アタッチメントを用いて検出された点、線、又は形状からの解剖学的構造のデジタル化を通じても創出可能である。追跡されるポインタ又は可変形アタッチメントは、解剖学的トラッカの一部であってもよい。解剖学的マップは、画像から生成されたセグメンテーション又は表面メッシュでもあり得る。本明細書においては、任意のソースから取得された骨若しくは他の特徴若しくは解剖学的構造の表現の3D表面又は容量がモデルとして参照される。 To make the shape sensing measurement useful to the clinician, the measurement is provided in the context of the anatomical map. The anatomical map may be any representation of the patient, but is preferably an image or model, including pre-operative images (such as CT images or MRI), intra-operative images (including live images), etc. Good. In some cases, during the registration step, the anatomical model is deformed to match the feature measurements. Intraoperative imaging can also provide an anatomical map. Anatomical maps can also be created through digitization of anatomical structures from points, lines, or shapes detected using tracked pointers or deformable attachments. The tracked pointer or deformable attachment may be part of the anatomical tracker. The anatomical map can also be a segmentation or surface mesh generated from the image. A 3D surface or volume of a representation of bone or other feature or anatomy obtained from any source is referred to herein as a model.
位置合わせのコンテキストにおいては、5つの座標系が例示的に使用され説明される。これらは、モデルソースの選択に依存し手術野からは独立したモデル座標系(MCS)を含む。光学的形状検知座標系(OSSCS)が手術室(OR)レールに取り付けられてもよく、あるいは手術室内の他の箇所に固定されてもよい。この例においては、大腿骨座標系(FCS)が大腿骨202に固有であり、脛骨座標系(TCS)が脛骨204に固有である。ポインタ(又は任意の他の器具)座標系(PCS)は器具103に固有である。 In the context of registration, five coordinate systems are used and described by way of example. These include the Model Coordinate System (MCS), which is dependent on the choice of model source and is independent of the surgical field. An Optical Shape Sensing Coordinate System (OSSCS) may be attached to the operating room (OR) rails or may be fixed elsewhere in the operating room. In this example, the femoral coordinate system (FCS) is specific to femur 202 and the tibial coordinate system (TCS) is specific to tibia 204. The pointer (or any other instrument) coordinate system (PCS) is unique to instrument 103.
最初の2つの座標系(MCS及びOSSCS)は、処置にあたって互いに対して固定され、位置合わせ及びナビゲーションの両方のための基準座標系となる。FCS、TCS、及びPCSはOSSCSに対して移動している。FCS、TCS、PCS、とOSSCSとの間での変換は、導入点におけるファイバ間の固定的な変換と、ファイバの形状検知を通じて求められるファイバ先端部と導入点との間の変動的な変換とを通じてわかる。変換の専門用語(transformation nomenclature):A_T_Bは、座標系Bから座標系Aへの変換である。 The first two coordinate systems (MCS and OSSCS) are fixed relative to each other in the procedure and serve as reference coordinate systems for both alignment and navigation. FCS, TCS, and PCS have moved to OSSCS. Conversion between FCS, TCS, PCS, and OSSCS includes fixed conversion between fibers at the introduction point and variable conversion between the fiber tip and the introduction point, which is required through fiber shape sensing. Understand through. The transformation nomenclature: A_T_B is the transformation from coordinate system B to coordinate system A.
FCSの例については:
OSSCS_T_FCS=OSSCS_T_FF*FF_T_FCS、ただしOSSCS_T_FCSはOSSCS座標系とFCS座標系との間での変換である。FF_T_FCSは大腿骨座標系(FCS)と導入点における脛骨ファイバ(FF)の固定部との間での形状検知変換である。OSSCS_T_FCSは脛骨ファイバの固定部とOSSCSとの間での変換である。位置合わせは、大腿骨空間又は脛骨空間内の点のデジタル化と、それらの点とMCS内の点との(例えばプロクラステス、ICP(Iterative Closest Point)など、既知の任意の位置合わせアルゴリズムを用いた)マッチングとを通じて行われる。
For the FCS example:
OSSCS_T_FCS=OSSCS_T_FF*FF_T_FCS, where OSSCS_T_FCS is a transformation between the OSSCS and FCS coordinate systems. FF_T_FCS is the shape sensing transformation between the femoral coordinate system (FCS) and the tibial fiber (FF) fixation at the entry point. OSSCS_T_FCS is the conversion between the fixed part of the tibial fiber and OSSCS. The registration is performed by digitizing the points in the femoral space or the tibial space and using any known registration algorithm such as Procrustes and ICP (Iterative Closest Point) between the points and the points in the MCS. Used) and matching.
座標変換は、例示的に剛性ポインタ(103)及び大腿骨空間について説明をするが、任意の他の解剖学的構造又はデジタル化方法に拡張可能である。ポインタ103はPCSにおいて解剖学的ランドマークXA(XA_PCS)を取得し、これは以下のようにOSSCSに変換され得る:
XA_OSSCS=OSSCS_T_PCS*XA_PCS
OSSCS_T_PCS=OSSCS_T_PF*FF_T_PCS
The coordinate transformation is described for the rigid pointer (103) and the femoral space by way of example, but can be extended to any other anatomy or digitization method. The pointer 103 acquires the anatomical landmark XA (XA_PCS) in the PCS, which can be converted to OSSCS as follows:
XA_OSSCS=OSSCS_T_PCS*XA_PCS
OSSCS_T_PCS=OSSCS_T_PF*FF_T_PCS
これらの変換された解剖学的ランドマークXAは、OSSCSとMCSとの間での変換を求めるために、モデル座標系(MCS)内の同一のランドマークとマッチングされる。従来技術と比較してのこのアプローチの1つの利点は、FCS及びTCSが処置の際に再配置可能であるという点であり、室内の固定位置(例えばレール(124))を基準とする全体座標系があることから、位置合わせは依然として有効である。これは、FCS及びTCSがモデルへの位置合わせのための基準として用いられる従来の場合とは対照的である。そのような従来の場合においては、全体座標系は存在しない。そのため、トラッカの再配置は位置合わせを無効にし、別の位置合わせ処置を必要とする。 These transformed anatomical landmarks XA are matched with the same landmarks in the model coordinate system (MCS) to determine the transformation between OSSCS and MCS. One advantage of this approach over the prior art is that the FCS and TCS can be repositioned during the procedure, with global coordinates relative to a fixed location in the room (eg rail (124)). Due to the system, registration is still valid. This is in contrast to the traditional case where FCS and TCS are used as references for registration to the model. In such conventional cases, there is no global coordinate system. Therefore, tracker relocation invalidates the alignment and requires another alignment procedure.
図8A乃至図8Cを参照すると、本発明の原理による、光学的形状検知ナビゲーションのための位置合わせツール(例えば器具103)の例示的な例が示されている。図8Aは剛性ポインタ602を示し;図8Bは可変形ポインタ604を示し;図8Cは可変形アタッチメント606を示す。 Referring to FIGS. 8A-8C, an exemplary example of an alignment tool (eg, instrument 103) for optical shape sensing navigation is shown in accordance with the principles of the present invention. 8A shows a rigid pointer 602; FIG. 8B shows a deformable pointer 604; FIG. 8C shows a deformable attachment 606.
位置合わせツール(ポインタ103)は、OSSを用いた骨又は特徴点のデジタル化に使用され得る。光学ナビゲーションシステムにおいては、術中骨表面のモデル骨表面への位置合わせはポインタ103を用いて行われ、このポインタも形状検知を用いて追跡される。点に基づく追跡は、位置合わせの機会を制限する。形状検知に基づくアプローチにおいては、位置合わせに用いることのできる追加的な技術が存在する。例えば、解剖学的可視化と光学的形状検知ファイバとの間での位置合わせは、剛性ポインタ又は可変形ポインタを用いて実施されてもよい。 The registration tool (pointer 103) can be used for digitizing bones or feature points using OSS. In the optical navigation system, the intraoperative alignment of the bone surface with the model bone surface is performed using the pointer 103, which is also tracked using shape detection. Point-based tracking limits registration opportunities. In shape sensing based approaches, there are additional techniques that can be used for registration. For example, alignment between the anatomical visualization and the optical shape sensing fiber may be performed using a rigid or deformable pointer.
図8Aにおいて、剛性ポインタ602は、骨620の骨輪郭を辿るために使用され得る。この技術は、ポインタ602の内部の形状検知ファイバ610によって実現可能である。これはワークフローの多くの問題を緩和し、手術者がポインタ602を動かしやすくする。ポインタ602は骨620と接触したときにデータを取得する。ポインタの先端部までずっと延在する光学的形状検知ファイバ610を有することによって、骨620との接触は、ファイバ610による力測定(OSSファイバ610の中央コア内での圧縮)に基づいて自動的に検出され得る。 In FIG. 8A, a rigid pointer 602 may be used to follow the bone contour of bone 620. This technique can be implemented by the shape sensing fiber 610 inside the pointer 602. This alleviates many workflow issues and makes it easier for the surgeon to move the pointer 602. The pointer 602 acquires data when it contacts the bone 620. By having the optical shape sensing fiber 610 extend all the way to the tip of the pointer, contact with the bone 620 is automatically based on the force measurement by the fiber 610 (compression within the central core of the OSS fiber 610). Can be detected.
図8Bにおいて、可変形ポインタ604は、骨620の表面を塗るために使用され得る。可変形ポインタ604は、骨表面を塗ることを可能にするためのブラシ部614(例えば多くのファイバ)又は他の柔軟性デバイスを含んでいてもよい。この塗るプロセスは、剛性ポインタ(602)を用いて行われる点に基づく位置合わせを改良するために、主成分分析(PCA)位置合わせとともに用いられ得る。剛性ポインタ602は、処置のこのステップのために、より変形可能な「絵筆」式の道具となることを可能にするべく、収縮可能なスリーブを有し得る。ポインタ604は、骨表面のより広い領域のデジタル化を提供する。 In FIG. 8B, deformable pointer 604 may be used to paint the surface of bone 620. Deformable pointer 604 may include a brush portion 614 (eg, many fibers) or other flexible device to allow painting of the bone surface. This painting process can be used in conjunction with principal component analysis (PCA) registration to improve the point-based registration performed with the rigid pointer (602). Rigid pointer 602 may have a retractable sleeve to allow it to become a more deformable "paintbrush" style tool for this step of the procedure. The pointer 604 provides digitization of a larger area of the bone surface.
図8Cにおいて、可変形アタッチメント606の形をした位置合わせデバイスは、ファイバを埋め込まれた可変形メッシュ又はチューブ616を含んでいてもよく、骨620に巻かれて表面輪郭の測定を提供し得る。これは、解剖学的マップへの(点のみに基づく位置合わせとは対照的な)形状又は曲率に基づく位置合わせを可能にし得る。 In FIG. 8C, a registration device in the form of deformable attachment 606 may include a deformable mesh or tube 616 with embedded fibers and may be wrapped around bone 620 to provide surface contour measurements. This may allow shape- or curvature-based registration (as opposed to point-only based registration) to the anatomical map.
可変形性又は柔軟性のポインタは、ブラシ部又は可変形のメッシュ若しくはチューブを備えることに代えて若しくはこれに加えて、直接見通し線デバイスが役に立たない場合に器具の遠位先端部が体内の湾曲経路を辿って位置合わせを容易にすることができるように、位置合わせツール、高速位置合わせデバイス、又は可変形性又は柔軟性のポインタを含む医療用器具に組み込まれた光学的形状検知ファイバを備えていてもよい。そのような器具は以下のものを含み得る:
・ハンドルなどの器具本体であって、OSSコンソールに繋留されたOSSファイバが埋め込まれたもの。
・ハンドルから延出するとともに先端部又は可変形性位置合わせポインタの位置及び配向がわかるようにOSSファイバを埋め込まれている受動的又は能動的(例えばアクチュエータ制御)柔軟性を備えた柔軟性のデバイス器具先端部は可変形性の位置合わせポインタ。
・OSSファイバから1つの位置合わせ点(又は一連の位置合わせ点)が収集され得ることをコンピュータに伝達するための、トリガ機構又は他の検出及び制御機構又はユーザ入力機構。
Deformable or flexible pointers may be used in place of or in addition to having a brush or deformable mesh or tubing to allow the distal tip of the instrument to bend inside the body when a direct line-of-sight device fails. Includes an optical shape sensing fiber incorporated into a medical device that includes a registration tool, a fast registration device, or a deformable or flexible pointer to allow easy alignment along the path. May be Such instruments may include:
An instrument body such as a handle in which an OSS fiber tethered to an OSS console is embedded.
A flexible device with passive or active (eg actuator control) flexibility extending from the handle and embedded with OSS fibers to reveal the position and orientation of the tip or deformable alignment pointer The tip of the device is a variable shape alignment pointer.
A trigger mechanism or other detection and control mechanism or user input mechanism to communicate to the computer that an alignment point (or series of alignment points) may be collected from the OSS fiber.
そのようなデバイスはさらに以下のものを含み得る:
・先端部が物体と接触したときに手術者に警告するための、先端部に装着された接触センサ。
・手術者に視覚的なフィードバックを提供するための、先端部に装着された撮像システム(ファイバ束、CCD/CMOSチップ、又は類似のもの)及び光源。
Such devices may further include:
A contact sensor attached to the tip to alert the operator when the tip contacts an object.
A tip-mounted imaging system (fiber bundle, CCD/CMOS chip, or similar) and light source to provide the operator with visual feedback.
軟組織の表面は、位置合わせツールの柔軟性の先端部を係合時にその表面に適合させることによって、医療用器具を用いて、例えば臨床前画像又は座標系(MCS、OSSCS、FCS、TCS、又はPCSなど)に位置合わせされ得る。 The surface of the soft tissue is adapted with the medical device by adapting the flexible tip of the alignment tool to the surface when engaged, for example with a preclinical image or coordinate system (MCS, OSSCS, FCS, TCS, or PCS, etc.).
1自由度の操作可能な先端部に代えて、同じ測定機能を提供するが曲率がユーザ制御されない医療用器具の受動的柔軟性先端部が用いられてもよい。そのような受動的先端部は、患者の解剖学的構造内部でのナビゲーションを簡単にするために、直線状であってもよく、又は事前湾曲を特色としていてもよい。 Instead of a one degree of freedom steerable tip, a passive flexible tip of a medical device that provides the same measurement function but with no user-controlled curvature may be used. Such passive tips may be straight or may feature pre-bending to facilitate navigation within the patient's anatomy.
別の一実施形態においては、操作可能な先端部は、1よりも多い自由度で、及び/又は同時に接続された先端部若しくは可変形性ポインタの1つよりも多くの操作可能な部分で、可動であってもよい。 In another embodiment, the manipulatable tip has more than one degree of freedom and/or more than one manipulatable tip or manipulatable portion of one simultaneously connected deformable pointer, It may be movable.
別の一実施形態においては、操作可能な先端部の遠位先端部は、先端部がターゲットの解剖学的構造と接触していることを示すフィードバックを臨床医に提供するための接触センサを組み込んでいてもよい。そのような接触センサは光ファイバに基づくものであってもよく(例えばデバイス内の別個のファイバ又はOSSファイバの追加的な使用として)、又は市販の接触検知構成要素であってもよい。 In another embodiment, the distal tip of the steerable tip incorporates a contact sensor to provide the clinician with feedback indicating that the tip is in contact with the target anatomy. You can leave. Such contact sensors may be based on optical fibers (eg, as a separate fiber in the device or as an additional use of OSS fibers) or may be commercially available contact sensing components.
シナリオによっては、関節内視鏡によって位置合わせツールの先端部を可視化することが可能でないかもしれない。したがって、さらなる有利な一実施形態においては、位置合わせポインタが、光ファイバ束又はCMOS/CCD撮像チップなどの光学撮像能力と照明源とを有する。 In some scenarios, it may not be possible to visualize the tip of the alignment tool with an arthroscope. Therefore, in a further advantageous embodiment, the alignment pointer comprises an optical imaging capability such as a fiber optic bundle or a CMOS/CCD imaging chip and an illumination source.
医療用器具、可変形ポインタ、及び先端部のこれらの実施形態の各々は、手持ち又はロボット制御の位置合わせツールにおいて実現されてもよい。 Each of these embodiments of the medical device, deformable pointer, and tip may be implemented in a hand-held or robot-controlled alignment tool.
一旦光学的形状検知ファイバが骨に取り付けられ解剖学的マップに位置合わせされると、この2つは(例えばディスプレイ118上で)手術者に対して表示可能である。骨間の位置及び角度が手術者に示され得るとともに、移植物寸法の提案ならびに切断の位置及び角度が決定され得る。解剖学的マップ上でのOSSデータの表示は多くの形をとり得るものであり、複数の機能を提供してもよい。 Once the optical shape sensing fibers are attached to the bone and aligned with the anatomical map, the two are visible to the operator (eg, on display 118). The position and angle between the bones can be shown to the operator, and the implant size suggestion and cutting position and angle can be determined. The display of OSS data on an anatomical map can take many forms and may provide multiple functions.
本発明の原理は、手術ガイダンス及びナビゲーションのための光学的形状検知ファイバの如何なる使用にも当てはまる。特に有用な実施形態においては、本発明の原理は、膝全置換手術又は膝部分置換手術、前十字靭帯(ACL)修復、股関節置換、脳手術、肘手術、及び他のそのような用途において使用され得る。また、OSSは、例えば形状検知ファイバのレイリー散乱(増強及び通常)ならびにファイバブラッグ実装など、任意の種類の反射現象又は散乱現象を使用してもよい。本発明の原理は、手動及びロボットナビゲーションシステムに使用されてもよい。 The principles of the present invention apply to any use of optical shape sensing fibers for surgical guidance and navigation. In particularly useful embodiments, the principles of the present invention are used in total or partial knee replacement surgery, anterior cruciate ligament (ACL) repair, hip replacement, brain surgery, elbow surgery, and other such applications. Can be done. The OSS may also use any type of reflection or scattering phenomenon, such as Rayleigh scattering (enhanced and normal) in shape sensing fibers as well as fiber Bragg mounting. The principles of the present invention may be used in manual and robot navigation systems.
本発明の原理による光学的形状検知追跡は、移植物の寸法決めなどを含む処置前計画を提供するため、屈曲及び伸張の範囲を含む関節の生体力学を理解するため、及びバランスの問題や不安定性をもたらし得る骨の間の何らかの位置ずれを識別するために使用することができる。本発明の原理の他の利用は、最適な切断位置及び切断面を決定することを含む。これは様々な位置におけるOSS追跡を通じて行われ、その結果もたらされる生体力学及び整列特徴は、仮想的に可視化されて手術者に対して表示される。関節生体力学の処置中計画及び処置後評価も提供され得る。 Optical shape sensing tracking in accordance with the principles of the present invention provides pretreatment planning, including implant sizing, etc., to understand joint biomechanics, including flexion and extension ranges, and balance issues and concerns. It can be used to identify any misalignment between bones that can result in qualitativeness. Another use of the principles of the present invention involves determining the optimum cutting location and cutting plane. This is done through OSS tracking at various locations, and the resulting biomechanical and alignment features are virtually visualized and displayed to the operator. In-procedural planning and post-procedural assessment of joint biomechanics may also be provided.
図9を参照すると、光学的形状検知システムを用いて骨を追跡する方法が例示的に示されている。本発明の原理は、体内の骨、体外の解剖学的モデル又は骨、義肢、機械的な構成要素又はリンケージなどに適用され得ることが理解されるべきである。ブロック702において、1つ以上のアタッチメントデバイスが骨に対する場所に接続される。これは、アタッチメントデバイスを骨に、骨を覆って、又は骨の上の皮膚に接続することを含み得る。ブロック704において、アタッチメントデバイスは二分割設計を含んでいてもよく、第1の部分は骨に対する場所に係合するためのアンカ部を有し、第2の部分は光学的形状検知ファイバを収容する。第1の部分及び第2の部分は、分離可能且つ嵌合可能である。このようにすれば、ファイバ部は、処置の後の方で取り付け可能となり、又は異なるアンカ部と組み合わせて使うことができる。 Referring to FIG. 9, a method of tracking bone using an optical shape sensing system is illustratively shown. It should be understood that the principles of the present invention may be applied to internal bone, external anatomical models or bones, artificial limbs, mechanical components or linkages, and the like. At block 702, one or more attachment devices are connected in place to the bone. This may include connecting the attachment device to the bone, over the bone, or to the skin over the bone. At block 704, the attachment device may include a bisection design, the first portion having an anchor for engaging a location against bone and the second portion containing an optical shape sensing fiber. .. The first portion and the second portion are separable and matable. In this way, the fiber section can be attached later in the procedure or can be used in combination with a different anchor section.
ブロック706において、アタッチメントデバイスの位置が、アタッチメントデバイスに接続された光学的形状検知ファイバを用いて識別される。ブロック708において、光学的形状検知ファイバからのフィードバックを用いて、アタッチメントデバイスの位置が解剖学的マップに対して骨と共に位置合わせされる。ブロック710において、骨又は骨の形状のデジタル化されたモデルが、ポインタデバイス上の位置を追跡するように構成された光学的形状検知ファイバを有するポインタデバイス(剛性、柔軟性、可変形性など)を用いることによって、追跡座標系に組み込まれ得る。この光学的形状検知ファイバは、ポインタとしての使用に特化した追加的なファイバであり得る。代替的には、既に解剖学的トラッカとして用いられているファイバの遠位部分、又は処置のその部分にのみ用いられるクリップオンセンサであり得る。ポインタデバイスは、追加的な光学的形状検知ファイバが関心領域に適合するように構成された柔軟性又は可変形性の部分を含んでいてもよい。 At block 706, the position of the attachment device is identified using an optical shape sensing fiber connected to the attachment device. At block 708, the position of the attachment device is aligned with the bone relative to the anatomical map using feedback from the optical shape sensing fiber. At block 710, a digitized model of a bone or bone shape has a pointer device (stiffness, flexibility, deformability, etc.) having an optical shape sensing fiber configured to track a position on the pointer device. Can be incorporated into the tracking coordinate system by using. This optical shape sensing fiber can be an additional fiber specialized for use as a pointer. Alternatively, it may be a distal portion of the fiber already used as an anatomical tracker, or a clip-on sensor used only for that portion of the procedure. The pointer device may include a flexible or deformable portion configured such that the additional optical shape sensing fiber is adapted to the region of interest.
これは、形状検知可能なポインタデバイスを用いて解剖学的マップを光学的形状検知ファイバに位置合わせするために使用される。最も簡単な形では、骨は単に線又は点によって表現され得る。骨は、解剖学的マップを更新するために使用され得るデジタル化されたバージョンとして表現されてもよい。解剖学的マップは、好適には、アタッチメントデバイスの追跡された位置に基づいて、骨を含む。解剖学的マップは、術前画像、術中画像(ライブ画像)、標準化された解剖学的マップ、解剖学的モデル、又は他のマップ若しくは画像を含み得る。 It is used to align an anatomical map with an optical shape sensing fiber using a shape sensitive pointer device. In its simplest form, bone can be represented simply by lines or dots. Bone may be represented as a digitized version that may be used to update the anatomical map. The anatomical map preferably includes bones based on the tracked position of the attachment device. The anatomical map may include pre-operative images, intra-operative images (live images), standardized anatomical maps, anatomical models, or other maps or images.
ブロック714において、骨の位置変化及び配向変化が解剖学的マップ若しくは画像によって又は解剖学的マップ若しくは画像上に表示される。解剖学的マップは、ファイバセンサによって提供される変化に従って更新される。他の実施形態においては、アタッチメントデバイスは、別の光学的形状検知ファイバ(例えば単一センサの実施形態)のための基準位置として働くべく使用されてもよい。医療用デバイスは、医療用デバイス上の位置を追跡するように構成された独自の追加的な光学的形状検知ファイバを含んでいてもよい。 At block 714, bone position changes and orientation changes are displayed by or on the anatomical map or image. The anatomical map is updated according to the changes provided by the fiber sensor. In other embodiments, the attachment device may be used to serve as a reference position for another optical shape sensing fiber (eg, a single sensor embodiment). The medical device may include its own additional optical shape sensing fiber configured to track position on the medical device.
図10を参照すると、本発明の原理による、生体力学的評価及び関節追跡についての例示的なワークフローが図示されている。ブロック802において、アタッチメントデバイスが解剖学的構造に固定される。これは、骨を露出すること、表面を準備することなどの準備ステップを含んでいてもよい。ブロック804において、マーカ(アタッチメントデバイス)が解剖学的マップに位置合わせされる。解剖学的マップは、術前画像、術中画像、標準化された解剖学的マップ、解剖学的モデル、又は他のマップ若しくは画像を含み得る。ブロック806において、術中計画及び移植物の寸法決めが実施される。これは、適切な切断及び移植物寸法を決定するための関節の骨移動の評価を含む。ブロック808において、マーカ(アタッチメントデバイス)が器具に結合され得る。これは、鋸、ドリル、ポインタなどを含み得る。 Referring to FIG. 10, an exemplary workflow for biomechanical assessment and joint tracking is illustrated in accordance with the principles of the present invention. At block 802, the attachment device is secured to the anatomy. This may include preparation steps such as exposing the bone, preparing the surface and the like. At block 804, the marker (attachment device) is aligned with the anatomical map. The anatomical map may include pre-operative images, intra-operative images, standardized anatomical maps, anatomical models, or other maps or images. At block 806, intraoperative planning and implant sizing are performed. This includes assessment of bone migration of joints to determine proper cutting and implant size. At block 808, a marker (attachment device) may be coupled to the instrument. This may include saws, drills, pointers, etc.
ブロック810において、追跡された器具及び解剖学的構造は、表示され、評価され、術前計画に従って修正される。追跡は、本発明の原理による形状検知光ファイバに基づいている。ブロック812において、関節生体力学が、試用移植物及び最終移植物の両方を用いて評価される。この評価は、本発明の原理による形状検知光ファイバの使用を含む。 At block 810, the tracked instruments and anatomy are displayed, evaluated, and modified according to the preoperative plan. The tracking is based on a shape sensing optical fiber according to the principles of the present invention. At block 812, joint biomechanics are evaluated using both the trial implant and the final implant. This evaluation involves the use of shape sensing optical fibers according to the principles of the present invention.
高速位置合わせは、例えば、骨若しくは他の物体上の離散ランドマーク、又は光学的形状検知ファイバによって測定された骨/物体の実際の形状との正確な形状の合致を用いて実行可能である。対応するハードウェア実装の詳細を以下に説明する。 Fast registration can be performed using, for example, discrete landmarks on bone or other objects, or exact shape matching with the actual shape of the bone/object as measured by an optical shape sensing fiber. The details of the corresponding hardware implementation are described below.
図11A、図11Bは、物体と物体の3次元モデル、この場合には大腿骨1105と大腿骨1105の画像内の形状との間での高速位置合わせを示す。図11Aの点に基づく位置合わせには、離散ランドマーク点1101、1102、1103、1104が用いられ得る。ランドマークの位置はOSSファイバによってデジタル化される。高速位置合わせのためには、骨の(部分)形状は、図11Bに示されるように、OSSファイバによって測定され得る。 11A and 11B show fast registration between an object and a three-dimensional model of the object, in this case the femur 1105 and the shape of the femur 1105 in the image. Discrete landmark points 1101, 1102, 1103, 1104 may be used for point-based registration in FIG. 11A. The location of landmarks is digitized by OSS fiber. For fast alignment, the bone (partial) shape can be measured by an OSS fiber, as shown in FIG. 11B.
離散ランドマーク
標準的な点に基づく剛性体位置合わせは、いくつかの離散骨性ランドマークと共に用いられ得る。図11Aは、形状検知ファイバが大腿骨の輪郭と一致され、4つのランドマーク点1101、1102、1103、1104が位置合わせのために用いられることを示す。点の数は3つ以上である必要はなく、直線を形成する必要はない。骨性ランドマークは、骨の3Dモデルにおいて予め定義されている。形状検知ファイバは、これらのランドマークの位置の迅速な取得を提供し得る。
Discrete Landmark Standard point-based rigid body registration can be used with some discrete bone landmarks. FIG. 11A shows that the shape sensing fiber matches the contour of the femur and that four landmark points 1101, 1102, 1103, 1104 are used for alignment. The number of points does not have to be three or more, and it is not necessary to form a straight line. Bone landmarks are predefined in the 3D model of bone. The shape sensing fiber may provide a quick acquisition of the position of these landmarks.
図12A、図12Bは、ファイバ1206がどのように装着型位置合わせデバイス、例えば図12Aのグローブ1211又は図12Bの一組のリング1212、1213、1214、1215に組み込まれ得るのかを示す。ユーザは、大腿骨1205又は他の骨の骨性ランドマーク1201、1202、1203、1204上で、すべてのランドマーク位置を同時に標本抽出するために、自身の指を容易に保持することができる。装着型位置合わせデバイスの使用は、人間の手の器用さ及び柔軟性を利用することができる。欠点は、これらの位置合わせデバイスが同時に取得できるのは限られた数の点(典型的にはわずか5つ)であるということである。 12A and 12B illustrate how the fiber 1206 can be incorporated into a wearable alignment device such as the glove 1211 of FIG. 12A or the set of rings 1212, 1213, 1214, 1215 of FIG. 12B. The user can easily hold his or her finger to sample all landmark locations simultaneously on the femur 1205 or other bone bony landmarks 1201, 1202, 1203, 1204. The use of a wearable alignment device can take advantage of the dexterity and flexibility of the human hand. The drawback is that these alignment devices can only acquire a limited number of points (typically only 5).
位置合わせデバイスは、多くの接触点(例えば5つよりも多い)を備えて実現することも可能であり、例えばいくつかの指状のプローブを備えた手持ちの形状検知位置合わせデバイスなど、装着型デバイスでなくてもよい。 Alignment devices can also be implemented with many contact points (eg, more than five), eg wearable, such as a handheld shape sensing alignment device with several finger-like probes. It does not have to be a device.
グローブのような恐らくは装着型の位置合わせデバイスを用いた離散ランドマーク点標本抽出には、標準的なランドマークに基づく位置合わせアルゴリズムを用いることができる。そのようなアルゴリズムの例は、点対応についてのプロクラステス分析及び線形最小二乗最適化を含む。したがって、各点を1つ1つ識別の順序で取得する標準的なアプローチとは対照的に、単一のステップで多くのランドマークの高速取得が可能である。本明細書において提示される位置合わせデバイスを用いると、点の順序は、形状検知ファイバ上での各々の位置から自動的にわかる。 Standard landmark-based registration algorithms can be used for discrete landmark point sampling using a possibly wearable registration device such as a glove. Examples of such algorithms include Procrustes analysis for point correspondence and linear least squares optimization. Thus, a fast acquisition of many landmarks is possible in a single step, as opposed to the standard approach of acquiring each point in identification order. Using the alignment device presented herein, the order of the dots is automatically known from their respective positions on the shape sensing fiber.
図13A、図13Bは、形状検知リングを用いて取得された3つの離散ランドマークを利用した位置合わせ結果を示すものである。図13Aは予め定義された骨性ランドマークを示す。ユーザは、ランドマークをデジタル化するために、3つの形状検知リングを装着する(図12B)。図13A、図13Bにおいては、点に基づく位置合わせのために予め定義された骨性ランドマーク1302が位置合わせソフトウェアにおいて示されている。形状検知リングによって取得された3つの位置合わせ点を利用した点に基づく位置合わせの結果が図13Bに示されている。球1302は予め定義されたランドマークを示す。球1303は形状検知リングを用いて1つの時間インスタンスで取得された点を示す。曲線1306は、測定が行われるときのOSSファイバの形状である。 13A and 13B show the alignment result using three discrete landmarks acquired by using the shape detection ring. FIG. 13A shows a predefined bony landmark. The user wears three shape sensing rings to digitize the landmark (FIG. 12B). In FIGS. 13A and 13B, a predefined bony landmark 1302 for point-based registration is shown in the registration software. The result of point-based registration using the three registration points acquired by the shape sensing ring is shown in FIG. 13B. Sphere 1302 shows a predefined landmark. A sphere 1303 shows a point acquired at one time instance using the shape sensing ring. Curve 1306 is the shape of the OSS fiber as the measurements are made.
骨/物体の実際の形状に合致する正確な形状
再び図11A、図11Bを参照すると、形状検知ファイバ1106は大腿骨1105又は他の骨と密接され得るので、接触部分のファイバ形状は対応する骨表面に合致する。この(図11Bの)位置合わせ形状1107は、骨モデル、例えば術前にCTスキャンを通じて取得された骨メッシュに位置合わせされ得る。1つの可能な位置合わせアルゴリズムはICPである。図11Bは、大腿骨1105の上部輪郭と一致された形状検知ファイバ1106を示す。ファイバに沿った位置合わせ形状1107は骨と接触している。なお、図11Bは、位置合わせ原理を説明するために2Dの例を用いている。しかしながら、良好な位置合わせ結果のためには、3Dの位置合わせ形状が重要である。全体が単一の平面内にある位置合わせ形状は、非一義的な位置合わせ結果を生成する可能性があるため、所望されない。
Exact Shape to Match the Actual Shape of the Bone/Object Referring again to FIGS. 11A and 11B, the shape sensing fiber 1106 can be in intimate contact with the femur 1105 or other bone so that the fiber shape of the contact portion is the corresponding bone. Match the surface. This alignment shape 1107 (of FIG. 11B) can be aligned with a bone model, eg, a bone mesh acquired pre-operatively through a CT scan. One possible registration algorithm is ICP. FIG. 11B shows the shape sensing fiber 1106 aligned with the upper contour of the femur 1105. The alignment feature 1107 along the fiber is in contact with the bone. Note that FIG. 11B uses a 2D example to explain the alignment principle. However, for good registration results, a 3D registration shape is important. Alignment shapes that are wholly in a single plane are undesirable because they can produce non-unique alignment results.
図14A、図14Bは、位置合わせデバイスのハードウェア実装を示す。図14Aの一例は、形状検知ファイバを埋め込まれた薄い超弾性パッチである。図14Bに示される第2の例は、形状検知ファイバを組み込まれた形状記憶チューブである。曲線1401、1402、1403は骨表面と接触しているファイバ部分による位置合わせ形状を示す。 14A and 14B show a hardware implementation of the alignment device. An example of FIG. 14A is a thin superelastic patch with embedded shape sensing fibers. The second example shown in FIG. 14B is a shape memory tube incorporating a shape sensing fiber. Curves 1401, 1402, 1403 show the alignment geometry due to the fiber portion in contact with the bone surface.
これらの2つの例示的なハードウェア実施形態は、変形して骨表面に適合することができるように形状検知ファイバ1406を弾性の位置合わせデバイスに組み込んだ典型的な実施形態である。図14Aの例において、超弾性パッチ1409は形状検知ファイバを埋め込まれている。薄いパッチはシリコンゴムで作製されており、超弾性且つ伸縮性である。容易に骨表面に適合することができる。図14Bは、形状記憶チューブ1408を用いた別の可能な実装を示す。形状記憶チューブ1408は可変形性であり、変形後の形状を保持する。骨表面に押し当てることによって変形可能である。図14Bの曲線1403は、ファイバの骨と接触する部分を示す。組み込まれた形状検知ファイバは、図14Bに曲線1403として示されるように、位置合わせ形状を提供することができる。 These two exemplary hardware embodiments are exemplary embodiments that incorporate a shape sensing fiber 1406 into an elastic alignment device to allow it to deform and conform to the bone surface. In the example of Figure 14A, the superelastic patch 1409 has embedded shape sensing fibers. The thin patch is made of silicone rubber and is super-elastic and stretchable. Can be easily fitted to the bone surface. FIG. 14B shows another possible implementation using shape memory tube 1408. The shape memory tube 1408 is deformable and retains its deformed shape. It can be deformed by pressing it against the bone surface. Curve 1403 in FIG. 14B shows the portion of the fiber that contacts the bone. The incorporated shape sensing fiber can provide an alignment shape, as shown as curve 1403 in FIG. 14B.
図15A、図15Bにおいて、位置合わせソフトウェアは、初期の点に基づく位置合わせの後のOSSファイバ1506及び大腿骨1505を示す(図15A)。球1502は予め定義されたランドマークを示す。球1503は形状検知リングを用いて1つの時間インスタンスで取得された点を示す。ファイバ上の部分1509(図15B)は、超弾性パッチ1409によって取得された位置合わせ形状である。位置合わせソフトウェアは、ICPリファインメント(ICP refinement)後のOSSファイバ1506及び大腿骨を示す(図15B)。超弾性パッチ1409によって取得された位置合わせ形状(図14A)は、OSSファイバ1506の部分1510として示されている。 15A and 15B, the alignment software shows the OSS fiber 1506 and femur 1505 after initial point-based alignment (FIG. 15A). Sphere 1502 indicates a predefined landmark. A sphere 1503 shows a point acquired at one time instance using the shape sensing ring. Portion 1509 on the fiber (FIG. 15B) is the alignment feature acquired by superelastic patch 1409. The alignment software shows the OSS fiber 1506 and the femur after ICP refinement (FIG. 15B). The alignment shape acquired by superelastic patch 1409 (FIG. 14A) is shown as portion 1510 of OSS fiber 1506.
かなり正確な形状マッチングのためには、上述のように、ICPアルゴリズムを用いて骨及び物体モデルと測定された形状との間での変換を決定することができる。ICPは、一般的には、点群を表面又は他の点群と合致させるために用いられる。しかしながら、ICPは、シード(seed)変換で始まり2組の入力データを合致させるために変換を改良し続ける反復方法である。反復は、リファインメントの継続が改善された合致をもたらさなければ、又は反復限度に達した場合には、停止する。したがって、ICPは、シード変換が実際の変換から遠すぎる場合には、誤ったソリューションを生み出しやすい。なぜなら、リファインメント段階を通じて、そのアルゴリズムにのみ十分に良好であるように見えるソリューションに遭遇し得るためである。 For fairly accurate shape matching, the ICP algorithm can be used to determine the transformation between the bone and object model and the measured shape, as described above. ICP is commonly used to match a point cloud to a surface or other point cloud. However, ICP is an iterative method that begins with a seed transform and continues to improve the transform to match two sets of input data. The iterations stop if continuation of the refinement does not result in an improved match, or if the iteration limit is reached. Therefore, the ICP is likely to produce a false solution if the seed transform is too far from the actual transform. This is because, through the refinement stage, one may encounter a solution that appears to be good enough only for that algorithm.
よって、ICPは合理的な初期変換によってシードされなければならない。合理的な開始点を得るための一般的なアプローチは、ランドマーク位置合わせの利用を通じたものである。このステップは、本願において提示されるグローブ又はリングなどの離散ランドマークデバイスを用いて、あるいは可変形性デバイス上の識別の点を用いても、高速に実施され得る。また、最小で3つの非共線的ランドマークが、ユーザによっておおよそ触れられさえすればよい。ユーザは高い精度をもってランドマークに触れる必要はなく、したがって、特に便利に記述されたランドマーク(例えば患者の解剖学的構造に関して大腿骨上の極端に左又は右の位置)に関連して、マーカの必要がなくなり、プロセスが高速化される。 Therefore, the ICP must be seeded with a reasonable initial transformation. A common approach to get a reasonable starting point is through the use of landmark alignment. This step can be performed quickly with discrete landmark devices such as the gloves or rings presented herein, or with points of identification on the deformable device. Also, a minimum of three non-collinear landmarks need only be roughly touched by the user. The user does not have to touch the landmarks with great accuracy and therefore the markers are particularly convenient in relation to the landmarks described (eg extreme left or right position on the femur with respect to the patient's anatomy). Eliminates the need for and speeds up the process.
合理的なシード変換は、代替的には、位置合わせ対象の物体の先験的知識を介して得られてもよい。例えば、どの骨表面が露出されており位置合わせのために利用可能なのか、ならびに他の骨及び解剖学的特徴に対するそれらの配向は、整形外科的処置の一部からわかり得る。この情報を用いて、位置合わせデバイスの配向を大まかに推論し、ひいてはICP用に十分に近いシード変換を近似することができる。 The rational seed transformation may alternatively be obtained through a priori knowledge of the object to be aligned. For example, which bone surfaces are exposed and available for alignment, and their orientation with respect to other bones and anatomical features, may be found as part of an orthopedic procedure. This information can be used to roughly deduce the orientation of the alignment device, and thus approximate a seed transform that is close enough for ICP.
図15A、図15Bは、ICPアルゴリズムが超弾性パッチによる部分的な形状取得を用いてどのように位置合わせを改良することができるのかを示す。図15Aは、初期ランドマーク位置合わせの後のOSSファイバ1506を大腿骨と共に示す。OSSファイバ1506は大腿骨と交差すべきではないため、初期位置合わせ結果は完全ではない。ICPリファインメントが図15Bに示されている。OSSファイバ1506上の部分1510として示されている位置合わせ形状は、ICP用の入力点群として用いられる。図15Bに示されるように、ICPリファインメントの後、OSSファイバ1506と大腿骨1505との間の一致は改善される。 15A and 15B show how the ICP algorithm can improve registration using partial shape acquisition with superelastic patches. FIG. 15A shows OSS fiber 1506 with the femur after initial landmark alignment. The initial alignment result is not perfect because the OSS fiber 1506 should not intersect the femur. The ICP refinement is shown in Figure 15B. The alignment feature, shown as portion 1510 on OSS fiber 1506, is used as the input point cloud for ICP. As shown in FIG. 15B, after ICP refinement, the match between OSS fiber 1506 and femur 1505 is improved.
上述の方法は、位置合わせのために物体の既存の3Dモデルを用いる。しかしながら、本願は識別の物体の正確な3Dモデルに限定されない。物体の統計地図モデルを使用すること、及び光学的形状検知を用いて取得された点/形状に基づいて調節することが可能である。 The method described above uses an existing 3D model of the object for registration. However, the present application is not limited to an accurate 3D model of an object of identification. It is possible to use a statistical map model of the object and make adjustments based on the points/shapes obtained using optical shape sensing.
位置合わせをFCSに関して説明したが、これはTCS又は表面ランドマークが存在している別の座標系に関する位置合わせのために有利に用いられ得る。 Although the alignment has been described in terms of FCS, it can be used to advantage for alignment with respect to TCS or another coordinate system in which surface landmarks are present.
添付の請求項の解釈にあたっては、以下のことが理解されるべきである:
a)「備える(comprising)」という語は、所与の請求項内に列挙されたもの以外の要素又は動作の存在を除外しない;
b)ある要素に先行する「a」又は「an」という語は、複数のそのような要素の存在を除外しない;
c)請求項中の参照符号は請求項の範囲を限定しない;
d)いくつかの「手段」が同一のアイテム又はハードウェア又はソフトウェア実装の構造若しくは機能によって表されてもよい;
e)特に示されない限り、識別の一連の動作が必要とされることは意図されない。
In interpreting the appended claims, the following should be understood:
a) the word "comprising" does not exclude the presence of elements or acts other than those listed in a given claim;
b) the word "a" or "an" preceding an element does not exclude the presence of more than one such element;
c) Reference signs in the claims do not limit the scope of the claims;
d) several "means" may be represented by the same item or structure or function of a hardware or software implementation;
e) Unless otherwise indicated, it is not intended that a series of identifying operations be required.
整形外科用ナビゲーションのための形状検知の好適な実施形態(例示的であることを意図されたものであって限定的であることは意図されていない)を説明してきたが、上述の教示に照らして、当業者により修正及び変形がなされ得ることに注意されたい。したがって、開示された識別の実施形態においては、添付の請求項によって概説され本明細書に開示された実施形態の範囲内で変更がなされ得ることが理解されるべきである。以上詳細を説明したが、特に特許法により定められているように、特許を請求し特許証による保護を求める範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されている。 Although a preferred embodiment of shape sensing for orthopedic navigation (which is intended to be exemplary and not limiting) has been described, in light of the above teachings. It should be noted that modifications and variations can be made by those skilled in the art. Therefore, it should be understood that modifications of the disclosed embodiments of the invention can be made within the scope of the embodiments outlined by the appended claims and disclosed herein. Although the details have been described above, the scope of claims for patents and protection of patents, as stipulated by the Patent Law, is set forth in the appended claims.

Claims (12)

  1. 光学的形状検知ファイバからのフィードバックを受信して、1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの少なくとも1つのアタッチメントデバイスの位置及び配向を、1つ以上の解剖学的マップのうちの少なくとも1つ、又は前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの別の1つに対して位置合わせする形状検知モジュールと、
    骨に対して解剖学的な位置で結合された、前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つと、
    前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つに結合されるとともに、前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つのアタッチメントデバイスの位置及び配向を識別する前記光学的形状検知ファイバと、を備え、
    前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つは、患者の皮膚の表面に配置されるボタン部と、前記患者の皮膚を通じて前記解剖学的な位置に係合するための部分と、を含み、
    前記ボタン部は、前記光学的形状検知ファイバの一部を収容し、前記光学的形状検知ファイバの形状又は姿勢に基づいて前記位置及び配向を識別する、光学的形状検知システム。
    Receiving feedback from the optical shape sensing fiber to determine the position and orientation of at least one attachment device of the one or more attachment devices, at least one of the one or more anatomical maps, or A shape sensing module that aligns with another one of the one or more attachment devices;
    Said at least one of said one or more attachment devices coupled in an anatomical position to bone;
    An optical shape sensing fiber coupled to the at least one of the one or more attachment devices and identifying the position and orientation of the at least one attachment device of the one or more attachment devices; ,,
    The at least one of the one or more attachment devices includes a button portion located on the surface of the patient's skin and a portion for engaging the anatomical location through the patient's skin. Including,
    The button part contains a part of the optical shape sensing fiber, and identifies the position and orientation based on the shape or orientation of the optical shape sensing fiber.
  2. 前記解剖学的な位置に係合するための部分は、ねじ軸、ピン、接着剤、骨セメント、クランプ、又はブリッジのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の光学的形状検知システム。 The optical shape sensing system of claim 1, wherein the portion for engaging the anatomical location comprises at least one of a screw shaft, a pin, an adhesive, a bone cement, a clamp, or a bridge. ..
  3. 前記光学的形状検知ファイバとは別の光学的形状検知ファイバに接続されるポインタデバイスを備え、
    前記ポインタデバイスが接続される前記別の光学的形状検知ファイバは、前記ポインタデバイス上の位置及び配向を追跡し、
    前記ポインタデバイスは、前記ポインタデバイスが接続される前記別の光学的形状検知ファイバを持つ柔軟性又は可変形性の部分を含む、請求項1に記載の光学的形状検知システム。
    Wherein comprising a pointer device that is connected to another optical shape sensing fiber and the optical shape sensing fiber,
    The further optical shape sensing fiber to which the pointer device is connected tracks position and orientation on the pointer device,
    The pointer device, flexible or deformable properties of portions including having said another optical shape sensing fiber which the pointer device is connected, the optical shape detection system according to claim 1.
  4. 記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つに結合された前記光学的形状検知ファイバの遠位端に接続されるポインタデバイスを備え
    前記ポインタデバイスが接続される前記光学的形状検知ファイバは、前記ポインタデバイス上の位置及び配向を追跡し、
    前記ポインタデバイスは、前記ポインタデバイスが接続される前記光学的形状検知ファイバを持つ柔軟性又は可変形性の部分を含む、請求項に記載の光学的形状検知システム。
    Includes a pointer device that is connected to the distal end of the optical shape sensing fiber coupled to the at least one of the previous SL one or more attachment devices,
    The optical shape sensing fiber to which the pointer device is connected tracks position and orientation on the pointer device,
    The optical shape sensing system of claim 1 , wherein the pointer device includes a flexible or deformable portion having the optical shape sensing fiber to which the pointer device is connected .
  5. 前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つのアタッチメントデバイスの前記位置は前記骨のデジタル化されたバージョンとして表現され、1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つのアタッチメントデバイスの前記位置及び前記デジタル化されたバージョンは1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つのアタッチメントデバイスの追跡された位置に基づいて前記解剖学的マップを更新するために使用される、請求項1に記載の光学的形状検知システム。 The position of the at least one attachment device of the one or more attachment devices is represented as a digitized version of the bone and the position of the at least one attachment device of the one or more attachment devices. And the digitized version is used to update the anatomical map based on a tracked position of the at least one attachment device of one or more attachment devices. Optical shape detection system.
  6. 前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つは、前記解剖学的な位置に係合するためのアンカ部を有する第1の部分と、前記光学的形状検知ファイバを収容する第2の部分とを有し、前記第1の部分と前記第2の部分とは分離可能且つ嵌合可能である、請求項1に記載の光学的形状検知システム。 The at least one of the one or more attachment devices includes a first portion having an anchor portion for engaging the anatomical location and a second portion containing the optical shape sensing fiber. The optical shape sensing system according to claim 1, further comprising a portion, wherein the first portion and the second portion are separable and matable.
  7. 前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つは、前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記別の1つのための基準位置として働く、請求項1に記載の光学的形状検知システム。 The optical shape sensing system of claim 1, wherein the at least one of the one or more attachment devices serves as a reference position for the another one of the one or more attachment devices.
  8. 前記解剖学的マップはライブ画像を含み、前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つ又は前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記別の1つはライブ画像に位置合わせされる、請求項1に記載の光学的形状検知システム。 The anatomical map includes a live image, and the at least one of the one or more attachment devices or the another one of the one or more attachment devices is aligned with the live image. The optical shape detection system according to claim 1.
  9. 前記解剖学的マップと前記光学的形状検知ファイバとは高速位置合わせデバイスを用いて位置合わせされ、前記高速位置合わせデバイスは装着型位置合わせデバイスを含み、前記装着型位置合わせデバイスはリング又はグローブを備える、請求項1に記載の光学的形状検知システム。 The anatomical map and the optical shape sensing fiber are aligned using a fast alignment device, the fast alignment device comprising a wearable alignment device, the wearable alignment device comprising a ring or glove. The optical shape sensing system of claim 1, comprising.
  10. 1つ以上の光学的形状検知ファイバからのフィードバックを受信する形状検知モジュールと、
    1つ以上の骨に対して解剖学的な位置で接続された1つ以上のアタッチメントデバイスであって、各々が光学的形状検知ファイバに接続されており、前記光学的形状検知ファイバはモデル座標系で前記解剖学的な位置を位置的及び配向的に追跡するために使用される、前記アタッチメントデバイスと、
    前記モデル座標系に含まれた解剖学的画像であって、前記光学的形状検知ファイバからの追跡された変化が、ディスプレイ上で閲覧される前記解剖学的画像を更新するために使用される、解剖学的画像と、を備え、
    前記1つ以上のアタッチメントデバイスのうちの前記少なくとも1つは、患者の皮膚の表面に配置されるボタン部と、前記患者の皮膚を通じて前記解剖学的な位置に係合するための部分と、を含み、
    前記ボタン部は、前記光学的形状検知ファイバの一部を収容し、前記光学的形状検知ファイバの形状又は姿勢に基づいて前記位置及び配向を識別する、光学的形状検知システム。
    A shape sensing module that receives feedback from one or more optical shape sensing fibers;
    One or more attachment devices connected in an anatomical position to one or more bones, each connected to an optical shape sensing fiber, said optical shape sensing fiber being a model coordinate system. An attachment device used to positionally and orientationally track the anatomical position at
    An anatomical image contained in the model coordinate system, wherein tracked changes from the optical shape sensing fiber are used to update the anatomical image viewed on a display. An anatomical image,
    The at least one of the one or more attachment devices includes a button portion located on the surface of the patient's skin and a portion for engaging the anatomical location through the patient's skin. Including,
    The button part contains a part of the optical shape sensing fiber, and identifies the position and orientation based on the shape or orientation of the optical shape sensing fiber.
  11. 骨を追跡する光学的形状検知システムの作動方法であって、
    骨に対する場所に接続されているアタッチメントデバイスに接続された光学的形状検知ファイバが、前記アタッチメントデバイスの位置及び配向を識別することと、
    形状検知モジュールが、前記光学的形状検知ファイバからのフィードバックを用いて前記アタッチメントデバイスの前記位置を解剖学的マップに対して位置合わせすることと、
    ディスプレイが、前記骨の位置変化及び配向変化を前記解剖学的マップで表示することと、を含み、
    前記アタッチメントデバイスは、患者の皮膚の表面に配置されるボタン部と、前記患者の皮膚を通じて前記骨に対する場所に接続されるための部分と、を含み、
    前記ボタン部は、前記光学的形状検知ファイバの一部を収容し、前記光学的形状検知ファイバの形状又は姿勢に基づいて前記位置及び配向を識別する、光学的形状検知システムの作動方法。
    A method of operating an optical shape sensing system for tracking bone, comprising:
    An optical shape sensing fiber connected to an attachment device connected to a location relative to the bone identifies the position and orientation of said attachment device;
    A shape sensing module aligning the position of the attachment device with respect to an anatomical map using feedback from the optical shape sensing fiber;
    A display displaying the positional change and orientation change of the bone in the anatomical map;
    The attachment device includes a button portion located on the surface of the patient's skin, and a portion for connecting to a location through the patient's skin to the bone.
    The button part accommodates a part of the optical shape sensing fiber, and identifies the position and orientation based on the shape or orientation of the optical shape sensing fiber.
  12. 先端部と、細長本体と、光学的形状検知ファイバとを備えた位置合わせツールをさらに備え、
    前記光学的形状検知ファイバは前記先端部にあり前記細長本体に沿っており、前記先端部は少なくとも1自由度で制御可能であり、前記光学的形状検知ファイバ上の1点における配向を6自由度で測定するための手段をさらに備える、請求項1に記載の光学的形状検知システム。
    Further comprising an alignment tool having a tip, an elongated body, and an optical shape sensing fiber,
    The optical shape sensing fiber is at the tip and along the elongated body, the tip is controllable in at least one degree of freedom, and the orientation at one point on the optical shape sensing fiber is six degrees of freedom. The optical shape sensing system of claim 1, further comprising means for measuring at.
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